【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 機(jī)更多地使用了可移動(dòng)存儲(chǔ)器。 存儲(chǔ)器在數(shù)碼相機(jī)一般是外設(shè)，其內(nèi)部一般只會(huì)安裝很小容量的 FLASH芯片，這對(duì)拍攝高分辨率的照片來(lái)說(shuō)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。一般的存儲(chǔ)器有 CF（ Compact Flash）、 SM（ Smart Media）、 MMC（ Multi Media Card）、 SDC（ Secure Digital Card）、MSD（ Memory Stick Duo）、 IBM的微型硬盤(pán)等。但就一般而言，這些存儲(chǔ)器除了IBM 的產(chǎn)品以外，其他的都是采用閃存 FLASH 來(lái)作為存儲(chǔ)部件的。我們就從 FLASH的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)來(lái)看它是怎么保存數(shù)據(jù)的。 微處理器 數(shù)碼相機(jī)要實(shí)現(xiàn)測(cè)光、運(yùn)算、曝光、閃光控制、拍攝邏輯控制以及圖像的壓縮處理等操作必須有一套完整的控制體系，數(shù)碼相機(jī)通 過(guò) MPU 實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)操作的統(tǒng)一協(xié)調(diào)和控制。 MPU一般數(shù)碼相機(jī)采用的微處理器模塊的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 23所示。它包括圖像傳感器數(shù)據(jù)處理 DSP（ Digital Signal Processing 數(shù)字信號(hào)處理） 、 SRAM 控制器、顯示控制器、 JPEG 編碼器、 USB 等接口控制器、運(yùn)算處理單音頻接口（非通用模塊）和圖像傳感器時(shí)鐘生成器等功能模塊。數(shù)碼相機(jī)的 MPU在外圍或其內(nèi)部，有一個(gè)小容量的 FLASH，負(fù)責(zé)存放一些程序語(yǔ)句。中央控制器按照這些程序語(yǔ)句對(duì)相機(jī)的各種操作做出反應(yīng)，例如對(duì)環(huán)境的光線強(qiáng)度做出判斷、調(diào)節(jié)感光二極管放 大器的放大率、用不用閃光燈、采用何種快門(mén)速度和光圈等。 數(shù)碼相機(jī)的設(shè)計(jì) 第 10 頁(yè) 共 31 頁(yè) 程序存儲(chǔ)器 Flash memory 圖 23 微處理器模塊的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 數(shù)碼相機(jī)的其他組成成分 A/D 轉(zhuǎn)換器 A/D 轉(zhuǎn)換器有兩個(gè)重要指標(biāo)，轉(zhuǎn)換速度和量化精度。由于數(shù)碼相機(jī)系統(tǒng)高分辨率圖像的像素?cái)?shù)龐大，因此對(duì)轉(zhuǎn)換速度要求很高。同時(shí)，量化精度對(duì)應(yīng)于 A/D轉(zhuǎn)換器將每一個(gè)像素的亮度或色彩值量化為若干個(gè)等級(jí)，這個(gè)等級(jí)就是數(shù)碼相機(jī)的色彩深度。對(duì)于具有數(shù) 字化傳輸接口的圖像傳感器（如 CMOS），則不需要 A/D轉(zhuǎn)換器。 LCD（液晶顯示器） LCD 有三個(gè)作用：電子取景器、圖片顯示和功能菜單顯示。 LCD 分為兩類：即 DSTNLCD（雙掃扭曲向列液晶顯示器）和 TFT LCD(薄膜晶體管液晶顯示器 )。數(shù)碼相機(jī)中多數(shù)采用 TFT LCD。 輸入輸出接口 數(shù)碼相機(jī)的輸入輸出接口主要有圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)擴(kuò)展設(shè)備接口、計(jì)算機(jī)通訊接口和連接電視機(jī)的視頻接口。圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)擴(kuò)展設(shè)備接口主要用于如前所述的存儲(chǔ)設(shè)備的數(shù)據(jù)交互。常用的計(jì)算機(jī)通訊接口有串行接口、并行接口、 USB接口和DSP 圖像傳感器數(shù)據(jù)處理 處理單元 顯示控制器 音頻接口 PLL Flash memory interface JPEG 編碼器 USB 等接口控 制器 DRAM控制器 圖像傳感器 數(shù)據(jù) 圖像傳感器控制 音頻數(shù)據(jù) 圖像傳感器時(shí)鐘 XIN XOUT TV NTSC/PAL USB RS232 UBS RS232 數(shù)碼相機(jī)的設(shè)計(jì) 第 11 頁(yè) 共 31 頁(yè) SCSI 接口。 數(shù)碼相機(jī)的設(shè)計(jì) 第 12 頁(yè) 共 31 頁(yè) 第 3 章 數(shù)碼相機(jī)的光電成像原理 光電轉(zhuǎn)換器件是數(shù)碼相機(jī)的核心部件，目前數(shù)碼相機(jī)的圖像傳感器主要有CCD 和 CMOS 兩類。 CCD 芯片又分為線型和面型兩大類，線型 CCD芯片的最大特點(diǎn)是分辨率很高，可拍攝 1000 萬(wàn)以上像素水平影像的數(shù)碼相機(jī)都采用線型 CCD 芯片。 CCD 器件的基本組成單元 CCD 器件的基本組成單元式金屬 — 氧化物 — 半導(dǎo)體（ MOS）電容。如圖 31所示。在 P型硅襯底上覆蓋二氧化硅絕緣層，在二氧化硅上裝配 — 金屬電極，就構(gòu)成了金屬 — 氧化物 — 半 導(dǎo)體（ MOS）電容。 圖 31 光子入射下的 MOS電容 在 MOS 單元中，當(dāng)加在半導(dǎo)體上的電壓 U0=0 時(shí)， P 型半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子（空穴）是均勻分布的；當(dāng) 0U0Uth(Uth 是半導(dǎo)體的閥值電壓 )時(shí)，空穴被排斥的同時(shí)產(chǎn)生了“耗盡層”（即此部分空穴減少）；隨著 Ug的增大，“耗盡層”向內(nèi)部延伸，當(dāng) Ug Uth 時(shí)，在半導(dǎo)體與氧化物界面的電勢(shì)差的作用下，半導(dǎo)體內(nèi)少數(shù)載流子（電子）聚集形成電荷密度很高、厚度大約 2~10um 的“反型層”（此部分載流子已成為電子 ），說(shuō)明 MOS 單元能夠積累電荷；當(dāng)在 MOS 單元的金屬柵與硅底之間加電壓 Ug時(shí)能夠形成“勢(shì)阱”（在 MOS單元中可以積累電荷的部分），如果光照射到硅片時(shí)，光子的入射形成電子 — 空穴對(duì)，多數(shù)載流子（空穴）被柵極排斥，而少數(shù)載流子（電子）則積累于“勢(shì)阱”中，積累的電荷量正比于光的 P 型硅襯底 UG 勢(shì)阱 金屬電極 二氧化硅 數(shù)碼相機(jī)的設(shè)計(jì) 第 13 頁(yè) 共 31 頁(yè) 照射強(qiáng)度，光入射引起的電荷積累總量正比于入射光子流速率、受光面積入射時(shí)間。即對(duì)選定的受光面積，由光入射引起的電荷積累和入射光強(qiáng)與照射時(shí)間的乘積成正比。 由 CCD器件實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳輸 由基本 MOS 單元構(gòu)成 CCD 器件。根據(jù)構(gòu)成方式的不同， CCD器件可分為線陣和面陣兩類。線陣 CCD 是由一維排列的 MOS 單元構(gòu)成，常見(jiàn)的有 256， 512， 1024，2048 等，而面陣 CCD 是由矩陣排列的 MOS 單元構(gòu)成，如 512*512， 1024*1024 等。 圖 32所示為三相驅(qū)動(dòng)的電荷傳輸過(guò)程。當(dāng) U1 所連接的電極下積累有電荷，此時(shí) U U3均為“負(fù)”極性。首先 U2由負(fù)跳變?yōu)檎?，原先積累于 U1 下的電荷部分向 U2 下勢(shì)阱轉(zhuǎn)移，為兩個(gè) MOS 單元所共有。隨之 U1 的極性變?yōu)樨?fù)，電荷全部轉(zhuǎn)移到 U2 下的勢(shì)阱中。接著 U3 由負(fù)變?yōu)檎?，此時(shí)電荷變?yōu)?U U3 下的 MOS單元所共有。如此不 斷地進(jìn)行直到陣列的邊緣，饋送至輸出電路形成輸出信號(hào)。面陣 CCD 器件的電荷讀出將按一列列的順序進(jìn)行，將輸出信號(hào)再經(jīng)過(guò)放大、 A/D轉(zhuǎn)換等處理，最后得到數(shù)字信號(hào)，即可進(jìn)行存儲(chǔ)或直接傳輸至計(jì)算機(jī)。 圖 32 電荷在相鄰的單 MOS元中的遷移示意 CCD 的基本功能 U3 U2 U1 U1U2U3 I1+ I2++ I3 I4 數(shù)碼相機(jī)的設(shè)計(jì) 第 14 頁(yè) 共 31 頁(yè) CCD 是一種能將光轉(zhuǎn)變?yōu)殡姷陌雽?dǎo)體器件，它在數(shù)碼相機(jī)中具有光電轉(zhuǎn)換、電荷儲(chǔ)存以及電荷轉(zhuǎn)移三個(gè)基本功能。 電荷儲(chǔ)存功能 CCD 的一個(gè)基本單元如圖 33所示，在 P型半導(dǎo)體襯底制作一層二氧化硅 絕緣層，在絕緣層上再制作一層金屬（鋁）電極。當(dāng)我們?cè)陔姌O上加上正偏壓時(shí)，金屬極板帶正電荷， P型半導(dǎo)體中帶正電的多數(shù)載流子空穴受到極板上正電荷的排斥而遠(yuǎn)離金屬極板，從而在金屬極板的下方形成了一個(gè)無(wú)空穴區(qū)，這個(gè)區(qū)中只有少數(shù)載流子電子而帶負(fù)電，這個(gè)區(qū)域稱為耗盡層。金屬極板、絕緣層和半導(dǎo)體層，它們看起來(lái)很像一個(gè)平行板電容器，它具有電容器，它具有電容器儲(chǔ)存電荷的基本功能，而且極板上所加偏壓越高，它儲(chǔ)存的電荷越多，所以 CCD 具有儲(chǔ)存電荷的功能。 圖 33 CCD的基本單元 光電轉(zhuǎn)換功能 普通電容器的兩個(gè)電極都是金屬導(dǎo)體，而 CCD 的電容有一個(gè)極板是半導(dǎo)體。與金屬導(dǎo)體內(nèi)部存在大量自由電子不同，半導(dǎo)體在常溫和黑暗環(huán)境中基本上是絕緣的，即它的內(nèi)部可以導(dǎo)電的載流子非常少。但若用光照射半導(dǎo)體襯底時(shí)，半導(dǎo)體就會(huì)產(chǎn)生大量的電子空穴對(duì)，可大大增強(qiáng)其導(dǎo)電性。所以當(dāng)光折射時(shí)，加有偏壓的 CCD 電容就能儲(chǔ)存許多電荷。實(shí)驗(yàn)表明， CCD的電容在一定偏壓下所存儲(chǔ)的電荷量與入射光強(qiáng)度成正比，光線越強(qiáng)，存儲(chǔ)的電荷就越多。這就實(shí)現(xiàn)了 CCDP 型襯底 半導(dǎo)體襯底 二氧化硅絕緣層 金屬電極 數(shù)碼相機(jī)的設(shè)計(jì) 第 15 頁(yè) 共 31 頁(yè) 的光電轉(zhuǎn)換功能。通常 CCD 的單元電容也被稱為光電二極管。 電荷轉(zhuǎn)移功能 CCD 實(shí)現(xiàn)電荷的轉(zhuǎn)移功能是把 CCD 上的一個(gè)個(gè)電容按一定的方式連接起來(lái)。圖 34表示的是一種連接方式。為獲得電荷轉(zhuǎn)移功能，在每組電容器的電極上分別加上 V V V3 時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)脈沖，其波形如圖 35 所示。 圖 34 CCD的一種連接方式 圖 35 時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)脈沖波形 假定將 CCD 曝光，產(chǎn)生 的電荷圖像如圖 所示： 1號(hào)電容有 4 單位電荷，V1 V2 V3 t t t 1 2 3 4 5 6 V1 V2 V3 數(shù)碼相機(jī)的設(shè)計(jì) 第 16 頁(yè) 共 31 頁(yè) 4號(hào)電容有 2 單位電荷，其余的電容沒(méi)有電荷，此 時(shí)處于 t=t1 時(shí)刻。這時(shí) V1為高電平， V V3