数码相机彩色感光数字化的原理

华中科技大学，徐长发，2020.3.1

现在，数码相机已经很普遍了。数码相机的原理大概是，用一种高感光度的半导体材料制成感光器件，把光线转变成电荷，通过芯片把感光电信号转换成数字信号，数字信号经过压缩以后在相机内部保存，便于相机和计算机互动显示和修改图像。这里要了解的基本原理有以下3个方面：

1. 相机接受到的光信号是如何变成电信号的?是如何变为数字信号表示的?

2. 彩色的光信号又是如何用电的数字信号表示的?

3. 这些数字信号又是如何显示出图像的?

一.“底片”是“感光器件”，是感光二极管列阵

光电二极管是将光信号变成电信号的半导体器件。它的核心部分也是一个PN结。光电二极管实际上就是光敏电阻，在没有光照时几乎没有电流，当有光照时，携带能量的光子进入PN结后，产生光电流。光的强度越大，感光电流也越大。如果在外电路上接上负载，负载上就获得了电信号，而且这个电信号随着光的变化而相应变化。

光敏电阻的光电转换的灵敏度高，反应速度快，在高温，多湿的恶劣环境下，还能保持高度的稳定性和可靠性，可广泛应用于照相机，例如各种太阳能路灯，验钞机，石英钟，音乐杯，礼品盒，迷你小夜灯，光声控开关，路灯自动开关，电梯自动门的控制，以及各种可以用光做自动控制开关的器件。

光敏电阻可用于数码相机的感光成像。

传统的照相机中，一张底片的对角线是35mm，感光面积为36 x 24mm;在数码相机中，把“底片”的面积在横向每一排安置4000个感光二极管，在竖向每一排安置3000个感光二极管，共1200万个像素点，也就是用感光二极管排成的“矩形列阵”做成“光电底片”。

二.彩色感光数字化

传统相机中，底片上的某点接受的光，是有“一定色彩”的，且有“一定光强度”的。

数码相机的感光二极管能够反映光强度，不能反映真实的色彩，于是特地设计了分色措施。用“滤色片”把接受物光的“整体分色”任务改变为“离散分色”; 一只光电二极管只接受一种单色光，有的只接受“红色光”，有的只接受“绿色光”，有的只接受“蓝色光”;把所有的感光点按一定的规律错开排列，排列方式见图;把所有的单色感光重新组合出物镜所接受的复杂的色彩。

这里附带说明分色原理：人眼所见光都可以分解为红、蓝、绿3种基本色，用这3种基本色可以合成调配出各种人眼所见的色彩光。

数码相机中每个感光点接受到的是单色光，如何恢复其真实的色彩呢?是如何把这种色彩转换成数字记录的呢?这要分2个方面解释。

一方面要解决每个感光点接受到的单色光亮度的数字化问题。为此，把单色光的亮度分为若干个等级，例如256个等级，数字越大单色越鲜亮;这样，当打开快门时，1200万个像素点就同时分别记录下了它们各自的感光强度数字;例如接受红光的感光点记录的是这个点处所接受到的红光的光强度数字;所有感光点是各记各的数字，是没有整合的。

另一方面，要把全部感光点记录的数字整合为能够显示彩色相片的数字。为此，用数学里的“插值方法”解决这个问题。对于某个感光点，把它记为处的分色叠加;于是对应这个感光点就有3个有序数字，

记为，其中

表示该点处红色的光强度，

表示该点处绿色的光强度，

表示该点处蓝色的光强度。每个感光点都要如此处理，这就实现了整体的彩色物光被离散分色的效果，各点都有各点的分色比例了，并存储起来。

最后，用计算机技术显示图像。对每个像素点把分色配置为整体色彩。例如对像素点，用

的红色，

的绿色，

的蓝色，其混合结果就是相片在

点处所显示的颜色，同时还表示了这种颜色的亮度。每个像素点都用此方法显示色彩及其亮度，整体就显示出了一张彩色照片。由于离散的像素点密集，显示出来的彩色图像是看不出离散痕迹的。

三.结束语

上面介绍的是数码相机在彩色感光时如何数字化的基本原理，在这原理的基础上要做出真正实用的“彩色感光器”还有很多具体的问题需要解决。例如：

1. 感光二极管的灵敏性是感光的基本要素，采用新材料新工艺制作灵敏度高的感光二极管是值得追求的目标之一。

2. 色彩深度是反应数码相机档次的一个标志。所谓色彩深度是指单色分多少个等级。一般数码相机都可以做到用二进制的8—16位表示等级数，8位二进制换成十进制就是个等级，16位二进制换成十进制就是

个等级;专业的要做到二进制36位的等级;单色的分级越来越细。这就要求感光电流要被放大一些才能分划出更多的等级，为此在每个像素点最好安排感光三极管，这对电路、芯片设计和制作提出了更高的要求。

3. 像素点越多越好，在有限的小的面积的“电子底片”上，要把那么密集的感光二极管排成列阵，这就对芯片制作工艺提出了更高的要求。

4. 感光电流要数字化，要运算处理，要快速显示图像等等，都要求芯片具有很强的运算功能和图像处理功能，这也对芯片的设计和制作工艺都提出了更高的要求。

对于上述问题按照不同的解决思路，目前的“彩色数码感光器”有两种模式，即CCD模式和 CMOS模式。一般而论，采用CCD模式的图像精度较高，价格也高，常用于高端的感光需要，采用CMOS模式的图像精度稍低，价格也低，常用于中低端的感光需要。

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