談數(shù)碼相機的CCD

1、談數(shù)碼相機的CCD上一篇文章我們對目前常見的圖像傳感器做了簡單的介紹，這次我們來談一談數(shù)碼相機領(lǐng)域內(nèi)圖像傳感器的“老大”CCD。雖然圖像傳感器有許多種，CMOS傳感器也已經(jīng)占據(jù)了數(shù)碼單反領(lǐng)域的半壁江山；但仍然可以這么認(rèn)為，至少在近期和可以預(yù)見的將來，CCD技術(shù)仍會是數(shù)碼成像技術(shù)的主流，至少在非數(shù)碼單反相機中，CCD的“NO.1”地位不會輕易動搖。 應(yīng)用于數(shù)碼相機上的CCD有好多種，從信號傳輸方式上分，大致可以分為全幀傳輸CCD、隔行傳輸CCD兩種；從濾鏡類型來分，可分為原色CCD和補色CCD；從感光單元形狀和排列方式來分，又可分為普通CCD和富士公司的“超級CCD”。由于CCD的生產(chǎn)工藝復(fù)雜，

2、目前世界上只有索尼、富士、柯達、飛利浦、松下和夏普6家廠商可以批量生產(chǎn)。 CCD的工作原理： CCD的結(jié)構(gòu)就象一排排輸送帶上并排放滿了小桶，光線就象雨滴撒入各個小桶，每個小桶就是一個像素。按下快門拍照的過程，就是按一定的順序測量一下某一短暫的時間間隔中，小桶中落進了多少“光滴”，并記在文件中。一般的CCD每原色的光度用8位來記錄，即其小桶上的刻度有8格，也有的是10位甚至12位，10位或12位的CCD在記錄色彩時可以更精確，尤其是在光線比較暗時。早期的CCD是隔行掃描的，同一時刻，每兩行小桶，只有一行被測量，這樣可以提高快門速度，但圖像精度大為降低。 隨著技術(shù)的進步，人們已能讓CCD記錄在幾十

3、分之一秒，甚至幾千分之一秒的時間里，落進各個“小桶”的“光滴”的量，所以，新的CCD一般都是逐行掃描的。 全幀傳輸(FullFrame Transfer)CCD和隔行傳輸(Interline Transfer)CCD： 普通消費級的數(shù)碼相機商采用的都是隔行傳輸CCD，它在一塊半導(dǎo)體上集成制造出感光器件：光電二極管和一些電路。每個單元呈整齊的矩陣式排列，行數(shù)乘以列數(shù)就是這個CCD的像素數(shù)量。每個像素單元中有大約30的面積用來制造光電二極管，在剩余的可用面積中，會放置一個轉(zhuǎn)移寄存器。在接受一個指令后，光電二極管感受到的光強，會被放置在這個轉(zhuǎn)移寄存器中并暫時存儲在這里，這是一個模似信號。接著就是把這

4、每一個像素中的光強值，變成數(shù)字信號，再由相機中的處理器組合成一幅數(shù)字圖像。由于每個像素單元中，真正用于感光的面積只占30左右，所以它的感光效率比較低。所以在真正的成品中，會在每個像素單元的上面，再放一個小的光學(xué)鏡片，我們把它叫做“微透鏡”。微透鏡在光電二極管的正上方，面積造得比較大，這樣就能把更多的入射光集中到光電二極管上，使等效的感光面積達到像素面積的70左右。 全幀傳輸CCD和隔行傳輸CCD的工作原理： 柯達的專業(yè)數(shù)碼相機中采用的CCD是全幀傳輸CCD。在每個像素單元中，有70的面積用來制造光電二極管。整個像素的框內(nèi)幾乎全是感光面積。不需要也沒辦法放置更大面積的光學(xué)鏡片來提高它的采光量。它

5、的讀出順序和隔行傳輸CCD是一樣的。這種結(jié)構(gòu)的好處是，可以得到盡量大的光電二極管，達到更好的成像質(zhì)量。可以說，同樣的CCD面積，全幀傳輸肯定會有更好的性能。全幀傳輸CCD在感光器件中的每個光電二極管的有效像素的面積更大，從而可以捕捉到更多的圖像數(shù)據(jù)。一般而言，全幀傳輸CCD能夠捕捉到的有效圖像數(shù)據(jù)大約是隔行傳輸CCD的兩倍，從而具有更大的動態(tài)范圍、更低的噪點和較高的感光度等優(yōu)點，從而改善了暗部和高光部分的細(xì)節(jié)表現(xiàn)。但是全幀傳輸CCD不能輸入視頻圖像，不能用液晶屏做取景器，必須以機械快門配合工作。奧林巴斯的E-1也是采用了這種CCD。 從下圖可以看出，全幀傳輸CCD性能優(yōu)于隔行傳輸CCD： 原色

6、CCD和補色CCD： 實際上CCD本身是不能分辨顏色的，所以，在實際應(yīng)用時需要使用色彩濾鏡，一般地就是在CCD器件的濾鏡層涂上不同的顏色。濾鏡上不同的色塊按G-R-G-B(綠-紅-綠-藍)的順序象馬賽克一樣排列，使每一片“馬賽克”下的像素感應(yīng)不同的顏色。例如，在一個130萬像素的CCD上，有325000個像素感應(yīng)紅色，325000個像素感應(yīng)藍色，650000個像素感應(yīng)綠色。在一個使用這種CCD的分辨率為1280x1024的數(shù)碼相機中，有640x512個紅色像素、640x512個藍色像素和640x1024個綠色像素，綠色像素多一點，是因為人類眼睛對綠色的敏感性和對其它顏色不一樣。最后在記錄圖像時

7、，每個像素的真實色彩就是它與周圍像素象混合的平均值。目前大多數(shù)數(shù)碼相機都是采用這種CCD。 而補色CCD使用了另一種排列方式的濾鏡，它的顏色是直接涂在CCD表面的，其色彩是按C-Y-G-M(青-黃-綠-洋紅)的順序排列的，每個像素的最終顏色也是取其與周圍像素的平均值，但這種算法更為復(fù)雜一些。在一個分辨率為1280x1024的使用這種CCD的數(shù)碼相機中，有640 x 512個青色像素，640x512個黃色像素640x512個綠色像素以及640x512個洋紅色像素。佳能的早期數(shù)碼相機，比如PowerShot Pro70、PowerShot A50就是采用了這種CCD。 超級CCD： 富士的“超級C

8、CD”技術(shù)發(fā)展于1999年，八角形的光電二極管和蜂窩狀的像素排列大大改善了每個像素單元中的光電二極管的空間有效性。這對于同樣數(shù)量像素的傳統(tǒng)CCD而言，它有更高的靈敏度、更高的信噪比和更廣泛的動態(tài)范圍。 普通CCD由于在互相垂直的軸上間隔較大，使其水平和垂直分辨率低于對角線上的分辨率，而“超級CCD”互相垂直的軸上間隔變窄，因此水平和垂直分辨率高于對角線上的分辨率，這也就意味著水平和垂直分辨率得到了相對提高。超級CCD的另一意義是使CCD的面積與像素矛盾得以緩和。因為要提高影像質(zhì)量就必須增加CCD的像素，因此在CCD尺寸一定的情況下，增加像素就意味著要縮小了像素中的光電二極管。我們知道單位像素的面積越小，其感光性能越低，信噪比越低，動態(tài)范圍越窄，因此這種方法不能無限制地增大分辨率，所以，如果不增加CCD面積而一味地提高分辨率，只會引起圖像質(zhì)量的惡化。 但如果在增加CCD像素的同時想維持現(xiàn)有的圖像質(zhì)量，就必須在至少維持單位像素面積不減小的基礎(chǔ)上增大CCD的總面積。而目前更大尺寸CCD加工制造比較困難，成品率也比較低，因此成本也一直降不下來，這一矛盾對于CCD而言是難以克服的?！俺塁CD”其像素按45度角排列為蜂窩狀后，控制信號通路被取消，節(jié)省下的空間使光電