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CCD技术漫谈

CCD技术漫谈

一篇比较老的文章了,不过还是有一定的参考价值

(上)CCD像素:数字决定一切(摘自电脑报有改动)

目前,CCD的生产工艺主要掌握在SONY、Philps、Kodak、Fuji、SANYO、Sharp等厂商手中,日系公司占绝对优势。虽然各家在具体的加工技术上存在差异,但是评价CCD技术级别的行业标准却是公认的,那就是像素。

像素,最简单的表述就是CCD上感光MOS电容的数目。像素数决定了一块CCD上有多少个感光点,也体现了CCD的分辨率。CCD像素越多,就能在感光时把拍摄对象分成更精细的细节,所以分辨率也越高。由于像素与MOS在数目上是对应的,在CCD大小不变的前提下,要提高数字照片的分辨率,就要增加CCD上感光元件数目。在现有技术下,一张35mm底片大小的CCD已经可以达到8000万像素的分辨率水平。我们通常使用的消费级数码相机CCD的像素数在600万以下,高级单反数码相机已经开始应用超过千万像素的CCD,成像效果足以与银盐胶片相比。

数码相机在记录画面时,只能使用到CCD全部像素中的一部分,这一部分像素就被称为有效像素(Effective Pixels)。为什么不能用到全部像素?简单地说是位于CCD边缘的一些像素上覆盖了黑色的涂层,目的是要让数码相机知道"什么是黑色",换言之代表了当图像为全黑时的基准值。由于这些像素不用来记录图像,因此相机的总像素同有效像素间存在差值。

另一个令人迷惑的概念是像素插值(Pixel Interpolation function)。这一功能是通过软件运算进行的。原理是用CCD上相邻的像素进行运算得到一些新的像素,从而提升分辨率。值的注意的是,运用插值算法模拟出的新像素并不是由CCD感光元件生成,因此照片中实际的图像信息并没有增加。许多品牌数码相机都会对照片进行插值处理,最典型的当数富士公司的superCCD技术,通过插值可以使输出照片的大小翻番。但是这种方式对图像的品质存在一定的损害,所以在选购相机时要分清实际像素和插值像素各是多少。

除了DC外,DV也使用CCD来记录图像。然而DV所使用的CCD元件像素数却向来是"见低不见高"。如今一部DC随随便便就配备数百万像素级别的CCD,而DV的CCD像素级别绝大多数仍维持在百十来万的水平。导致两者间的差异的原因,主要是DC和DV在输出要求上的不同。DV的CCD分辨率,与电视屏幕的分辨率是相匹配的。现在电视机的分辨率在50万像素的水平上,其中真正用来显示图像的也仅有30-40万像素,所以DV并不能够而是不需要搭配高像素的CCD。

随着数字影像技术的发展,DV搭载高分辨率的CCD进行静态数码照片的拍摄逐渐风行。对DV而言,CCD有静态和动态两个标准:静态像素指在拍摄照片时的分辨率,动态像素是指拍摄影片时能利用到的像素数,值的注意的:无论动态像素有多高,当影片在电视上回放或录到DV带上时,其分辨率都限定在32万像素左右。CCD上多出来的像素主要用于电子防抖动。也就是说单提高CCD像素数对DV影像质量的提高影响不大。而增加画质可以从两个方面入手:一、使用R、G、B单一CCD来感光,比如高挡DV上的3CCD技术;二、扩大CCD的受光面积。这就是我们下面要讨论的CCD尺寸问题。


(中)CCD尺寸:CCD成像质量的真正秘密(摘自电脑报)

长期以来,CCD技术所为人津津乐道的是像素级别的快速增长。每提高一个百万级就被视为技术上的突破,从而带来相机的更新换代。不过CCD尺寸这一影响成像质量的重大因素却甚少有人提及,甚至连各生产厂商也秘而不宣。

究竟CCD的尺寸大小对成像质量影响有多大?客观地说,决定一部DC成像质量好坏的几大要素:曝光宽容度、信噪比、镜头焦距、入瞳孔径,无不与CCD尺寸密切相关。

CCD的感光元件MOS好比可以用来储存电荷的桶,这个桶能容纳电荷的极限表明了CCD的动态范围,也就是曝光宽容度。CCD尺寸的大小直接决定了MOS的体积。同尺寸CCD,当MOS的体积增大,当然这会造成CCD的像素数相对减少,其容纳电荷的能力就越强,CCD的动态范围就加大,即曝光宽容度就大,从而CCD能感受到更细微的光线变化,拍出来的片子自然层次丰富。反之,当MOS的体积减小,CCD的像素数相对增加,储存电荷的能力就下降,就很容易出现电荷溢出等现象,导致画面出现噪点。所以,我们常发觉某一款DC的升级版,提高了CCD的分辨率,但CCD的尺寸却没变,拍出来的照片锐度提高了,但是信噪比下降,细节损失加重,整体的成像质量反而下降了。不少数码玩家甚至由此得出结论:选购DC、DV时,在CCD尺寸相同的机型中要优先挑选像素水平低的机器。

DC的CCD尺寸,通常只有135胶卷大小的十几到几十分之一,由此决定了DC的镜头焦距很短。比较短的镜头的焦距,对拍摄有一定的限制作用:首先,根据光圈指数等于镜头焦距与入瞳直径之比的原则,短焦距一方面限制了光圈的变化范围,另一方面也使镜头直径不可能做得太大,捕捉光线的性能因此受到影响。其次,镜头的焦距与CCD对角线长度有对应关系,一般来说,焦距与对角线相等的是标准镜头,大于对角线长度的是远摄镜头,反之广角镜头。CCD的小尺寸令DC很容易优出长焦的远摄镜头,但是要缩短焦距形成广角效果就相对因难。比如松下FZ1以4.6-55.2mm的焦距轻易实现相当于135相机420mm的12倍光学变焦,它所配备的CCD尺寸仅为1/3.2英寸,约合5.27mm×4.40mm,跟指甲盖差不多大。另外,短焦距也令拍摄的景深受到了影响。CCD尺寸越小的DC越不容易拍出浅景深效果,解决之法唯有加大CCD的尺寸。

CCD的"1/x英寸"标注方法,也让人迷惑。有人把它理解为CCD的对角线长度,结果算出来的CCD面积对真实的面积大出许多倍。按较专业的解释,现在DC、DV上CCD尺寸标注方式,是用过去的摄影机真空摄像管的对角线大小衡量方式,标准术语叫"OF-Optical Format"(光学格式),单位:英寸。CCD的OF粗略的计算方式是:OF=对角线长度(mm)/16,比如1/1.8型(type)的CCD,1/1.8英寸是OF值,实际对角线长度为9.04mm。还有一种计算CCD对角线长度的方法,只要将镜头实际焦距除以35mm等效焦距后乘43(35mm底片对角线)即可。下面我们列出几种常见的CCD尺寸以供参考:

1. 全尺寸CCD(与135相机底片尺寸相同):大约为36mm×24mm(CONTAX N Digital、Kodak DCS pro 14n)
2. 大型CCD:23.7mm×15.6mm(Nikon D1X、Nikon D100)
3. 2/3型CCD:9.74mm×7.96mm(Nikon Coolpix 5700,5000、Minolta DiMAGE 7Hi、SONY DSC 717)
4. 1/1.8型CCD:8.1mm×6.64mm(Nikon Coolpix 4500、Canon G3、 Olympus 5050Z)
5. 1/2.7型CCD:6.17mm×5.17mm(Nikon Coolpix 3500、Canon IXUS V2, V3)
6. 1/3.2型CCD:5.27mm×4.40mm(Nikon Coolpix 2100)


(下)CCD技术的发展趋势与CMOS技术的发展 (摘自电脑报有改动)

CCD应用于数码影像用途不过才几年,但发展速度非赏迅猛。作为影像核心的CCD生产工艺的快速成熟,才使得DC、DV成了今日无处不在的影像创作的利器。目前在CCD设计加工上比较成熟的几家大公司如SONY、Fuji、Kodak等都在各自的产品中融入了独特的工艺,也使得CCD的技术多元化。

SONY是最早尝试将CCD应用于数码影像设备的公司。自上世纪70年代研发以来,该公司的CCD产品累计生产量达到1亿个,广泛运用在DV、DC上,现在市面上大多数消费级的DC都采用SONY的CCD。从技术上看,SONY的CCD已经开发了许代产品,从最初的HAD感测器,到后续的ON-CHIP MICRO LENS、SUPER HAD CCD、NEW STRUCTURE CCD,再到更新的EXVIEW HAD CCD,可以明显地看出SONY在CCD开发旧在不断提升光利用效率的方针下,以积极降低产品消耗电力,减少驱动电路复杂度,减少IC PIN脚数以及减轻电子产品对地球生态环境负担为目标。在目前的数码影像领域,SONY占据了CCD市场的半壁江山。

Fuji和Kodak在传统胶片和冲印技术上的优势,使它们也成为了CCD业界巨头。Fuji独立开发的超级CCD,一改传统CCD上感光元件的排列方式,将光电二极管的形状设计为八边形,在一定程度上加大了CCD的尺寸,从而提高了成像元件的感光度和动态范围。该技术自1999年面世以来,被大量运用在Fuji DC上。最新的SUPER CCD SR更通过整合高感光度的S像素(大像素)和起到拓宽动态范围的R像素(小像素)使其动态范围达到了前代产品的4倍,也就是使其曝光宽容度大大提高。Kodak则是较早从事大型CCD研制的厂商,像该公司出品的DCS Pro Back专业中画幅数码相机后背,采用全幅式CCD,影像分辨率高达1600万像素,处于业内领先水平。去年该公司也尝试推出像素高达1400万像素的单反数码相机DCS Pro 14n,引起广泛关注。

而在CCD身后,CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor,互补金属氧化物半导体集成电路影像传感器)技术正紧追不舍。与CCD相比,CMOS的最大特点表现在集成度高、功耗小、生产成本低、但是对光线的灵敏度不好、信噪比也很低。但近年来以Canon等相机大厂对CMOS的重视,CMOS技术取得地重大突破!创造出集成电路杂音减少技术、电荷转移技术、集成电路程序的扩大增益技术。Canon发布的各款单反数码相机-EOS D30、D60、10D,和拥有全画幅尺寸、像素数在1000万以上的EOS 1Ds都采用了CMOS感光元件。

美国Foveon公司去年推出了Foveon X3技术。这是一种用单像素提供三原色的CMOS图像感光器技术。与传统的单像素提供单原色的CCD/CMOS感光器技术不同,Foveon X3技术的感光器与银盐彩色胶片相似,由三层感光器元素垂直叠在一起。Foveon声称同等像素的X3图像感光器比传统CCD锐利两倍,提供更丰富的彩色还原度以及避免采用Bayer Pattern传统感光器所特有的色彩干扰。目前Sigma 出品的SD9单反数码相机采用该CMOS感光元件。

技术的更新,让CMOS赶超CCD的势头不断增强,在今后数码影像器材的演变道路上,CCD和CMOS两大阵营的交锋将愈演愈烈!。这让消费者用到更好技术的产品是件好事。纵观CCD/COMS的发展趋势,大尺寸、高像素的产品必然是主要的发展方向。现在困扰CCD/COMS大尺寸化的主要问题是造价昂贵,而且成品率低。除了研制超大型CCD外,SONY等公司也尝试提高微型CCD的分辨率,用来制造超小形DC和PDA、移动电话上的影像装置。

附 常见CCD尺寸

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写的很详细

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