談數(shù)碼相機(jī)的CCD

1、談數(shù)碼相機(jī)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(jī)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(jī)中，CCD的“NO.1”地位不會輕易動(dòng)搖。 應(yīng)用于數(shù)碼相機(jī)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(bǔ)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(dá)、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(gè)小桶，每個(gè)小桶就是一個(gè)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(shí)間間隔中，小桶中落進(jìn)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(shí)可以更精確，尤其是在光線比較暗時(shí)。早期的CCD是隔行掃描的，同一時(shí)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(jìn)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(shí)間里，落進(jìn)各個(gè)“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(fèi)級的數(shù)碼相機(jī)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(gè)單元呈整齊的矩陣式排列，行數(shù)乘以列數(shù)就是這個(gè)CCD的像素?cái)?shù)量。每個(gè)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(gè)轉(zhuǎn)移寄存器。在接受一個(gè)指令后，光電二極管感受到的光強(qiáng)，會被放置在這個(gè)轉(zhuǎn)移寄存器中并暫時(shí)存儲在這里，這是一個(gè)模似信號。接著就是把這

4、每一個(gè)像素中的光強(qiáng)值，變成數(shù)字信號，再由相機(jī)中的處理器組合成一幅數(shù)字圖像。由于每個(gè)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(gè)像素單元的上面，再放一個(gè)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(dá)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(dá)的專業(yè)數(shù)碼相機(jī)中采用的CCD是全幀傳輸CCD。在每個(gè)像素單元中，有70的面積用來制造光電二極管。整個(gè)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(dá)到更好的成像質(zhì)量?？梢哉f，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(gè)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(dòng)態(tài)范圍、更低的噪點(diǎn)和較高的感光度等優(yōu)點(diǎn)，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(jī)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(bǔ)色CCD： 實(shí)際上CCD本身是不能分辨顏色的，所以，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)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(lán))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(gè)130萬像素的CCD上，有325000個(gè)像素感應(yīng)紅色，325000個(gè)像素感應(yīng)藍(lán)色，650000個(gè)像素感應(yīng)綠色。在一個(gè)使用這種CCD的分辨率為1280x1024的數(shù)碼相機(jī)中，有640x512個(gè)紅色像素、640x512個(gè)藍(lán)色像素和640x1024個(gè)綠色像素，綠色像素多一點(diǎn)，是因?yàn)槿祟愌劬G色的敏感性和對其它顏色不一樣。最后在記錄圖像時(shí)

7、，每個(gè)像素的真實(shí)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(jī)都是采用這種CCD。 而補(bǔ)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(gè)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(gè)分辨率為1280x1024的使用這種CCD的數(shù)碼相機(jī)中，有640 x 512個(gè)青色像素，640x512個(gè)黃色像素640x512個(gè)綠色像素以及640x512個(gè)洋紅色像素。佳能的早期數(shù)碼相機(jī)，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(gè)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(dòng)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?yàn)橐岣哂跋褓|(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(dòng)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(shí)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