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浅谈数码影像(四)——电子影像感应器

简介

翻查资料，原来电子影像可追索至一八七三年，当时科学家约瑟·美（Joseph May）及伟洛比·史密夫（WilloughbySmith）发现硒元素（Selenium）结晶体感光後可产生电流，是电子影像发展之开始。其後陆续有组织和学者研究电子影像，其中重要的发明有电视系统、光学倍增管（PhotoMultiplier Tube/简称PMT）和电子耜合器（Charge。Coupled Device）/简称CCD）。

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图一：电子影像感应器非常普遍，对于很多办公室及家庭电子产品上 PMT和CCD是很成功的电子影像感应器(又称光学感应器)，前者是五十年代的发明，後者是七十年代的发明，可应用於多种产品上，例如天文学望远镜、间碟卫星(有外国公司提供卫星数码照片服务，可拍摄世界任何角落，约三佰港元收费）、温度计、分析仪、传真机和扫描仪等， CCD更可应用于数码相机和手提摄录机等细小产品上。一九九八年亦出现两种新的电子影像感应器，就是CMOS(Complementarymetal Oxide Semiconductor)和CIS(Contact lmage Sensor)。随后介绍他们的技术和商业应用。 电子影像感应器

(Electronic Image Sensor)

从前美国天文台的天文望远镜是利用菲林拍摄影像的，後来电子影像感应器取代菲林，不但免却冲印程序及可即时显现於荧幕，而且感光性能丝袜比菲林强许多，连接电脑後更可利用数码技术改善影像质素。电子影像感应器由五十年代到现在，其商业应用其实很广泛，例如较早前提及的卫星数码照片及由地面拍摄宇宙的天文望远镜，到生活娱乐中年青人在商场内使用的数码照片自拍机。当然最普遍应用就是传真机、扫描仪、数码相机和手提摄录机等。

图二：Hammatsu R980 PMT光学倍增管 PMT--由五十年代。中发展到现在，是最早出现的电子感应器，也是现时最好（指质素）的技术。具结构像一个圆柱体小灯泡（见图），亘径约一寸，长度约二寸。内置多个电极，将进入的光线转化为强大的电子讯号，即使很微弱的光线也可准确补捉，此点比其他感应器优胜。PMT常应用于印刷、出版业扫描仪及工程分析仪等。PMT扫描仪的最高感应密度可达D4.2，表示可捕捉原稿上很暗的影像部位。PMT非常耐用，一般有一白至十万运作小时。

图三：单线型CCD晶片，用于黑白扫描仪(彩色型扫描仪采用三线C打开控制计算机（或控制器）CD晶片，而数码相机或摄录机则采用平面()二维CCD晶片)。 CCD--由美国贝尔实验室於一九六九年发明，与电脑晶片CMOS技术相似，也和CMOS一样，可作电脑记忆体及逻辑运作晶片，当然目前DRAM更适合为电子记忆体。最流行的应用非扫描仪、数码相机及手提摄录机莫属，但最触目的代表作就是将四颗大型CCD晶片安装位於南美智利安达斯美国天文台的BTC（Big Throughput Camera，见图五）天文望远镜内，它可一次拍摄35MB的资料，大大帮助天文学研究。CCD的感光能力和质素比PMT低，但近年CCD技术进步，其最高密度可达D4.0，比PMT最高感应窗度稍低。CCD的体积。通常只有一枚普通硬币般大，当然也有一些体积特大（见图四）或小的。CCD和PMT一样非常耐用。

图四：贝尔实验室研究员Tony Tyson利用手上之CCD进行天文研究。Copyright of Bell Labs, Lucent Technologies 图五：位于智利按达斯美国天文台(InterAmerican Observatory)内之四米长BTC天文望远镜，尾端放置了四颗贝尔大型CCD晶片。Copyright of Bel拖拉机l Labs, Lucent Technologies图六：由BTC天文望远镜所拍摄的宇宙拼图。

Copyright of Bell Labs, Lucent Technologies CMOS--此技术巳发展了数十年，可说有数码电脑便 有它，因为CPU和记忆体便是由CMOS组成。但一九九八年才应用於电子感应器或数码相机，也可应用於摄录机。CMOS的优点是结构比CCD简单让节能、节材成为挤出加工业关心的重点，用较小的晶体及较低的电压，制造成本比CCD为低。CMOS也有其缺点，就是技术尚未成熟，质素一般比CCD低，解像度一般也比较差，但有资料2014年沥青基碳纤维市场为153亿日元(约8亿元)显示CMOS（可参考本文未提供的址）的技术会进步及将超越CCD。

图七：CIS结构图解 CIS--由於结构关系，CIS技术通常只用於扫描仪。其感应器就是CMOS，CIS扫描仪将光源、聚焦镜片及感应器一同固定於一个外罩内，不须调节及热身（warm-up），所以比特殊款式CCD扫塑料薄膜冲击强度试验机的试验机检测描仪起动快。此设计今CIS扫描仪体积比CCD扫描仪更细小，而制造成本亦减少。但C1S技术亦未成熟，产生较大的杂讯，所以目前比CCD质素较差。 总结

PMT、CCD、CMOS及CIS是目前流行的电子影像感应器，PMT利CCD的制造较复杂、成本较高，一个感应器需要数十至数百美元，但质素也是较好的，尤以PMT质素最高，专业型滚筒扫描仪便是采用PMT技术，但它的体积及结构不适合手提或细小的产品。而CCD、 CMOS及CIS体积小，可用于小型产品上。现时大部份电子影像产品采用CCD，希望不久将来有更多其他电子影像技术的产品（例如CMOS或更好的感应器），好让消费者有更多的选择。

参考

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