像素决定一切?CCD技术全剖析

互联网 | 编辑: 2005-05-21 00:00:00转载 返回原文

目前,市场上大多数数码相机的感光器件都是CCD的。相信大多数消费者在选购数码相机时,第一眼会看它的CCD的分辨率大小,然后就是价格。

像素决定一切?CCD技术全剖析 [1]

目前,市场上大多数数码相机的感光器件都是CCD的。相信大多数消费者在选购数码相机时,第一眼会看它的CCD的分辨率大小,然后就是价格。二台价格相同的数码相机摆在一起,一台CCD像素为200万的,另一台为300万的,而且其它技术指标也相同时,我相信绝大多数消费者都会选择CCD像素为300万的那台。其实这是对CCD认识不足所致。专家认为,看CCD的技术指标不能光看像素,还要看以下几个方面。

一、制造的厂商


  不同厂商制造出来的产品,其质量极有可能会有较大的差别,CCD也一样。由于CCD的技术生产工艺复杂,目前世界上只有索尼、富士、柯达、飞利浦、松下和夏普6家厂商可以批量生产,而其中最主要的供商应是索尼,然后是富士和柯达、飞利浦。其中,索尼以50%的市场占有率成为CCD市场领导厂商。索尼从70年代研发CCD以来,即将其广泛运用在摄录放影机及广播电视等专业用摄影机等器材上,目前索尼的研发仍在向更高画质的目标前进,并将尽力应用CCD于各类产品上。


  从70年代开始生产CCD芯片累积计算,索尼的生产量已超越了1亿片以上。未来索尼公司将积极降低产品消电力,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,研发设计新型的CCD组件。在CCD的应用越来越多样化的趋势下,加强CCD的小型化及高像素化的基本特性,以提供更有魅力的高附加价值的产品来满足用户的要求。


  由此可见,CCD以索尼产的为优,其次是富士和柯达,这也是索尼数码相机比同类产品贵一些的原因之一。


二、制造原理


  CCD的制造原理不同,其成像质量自然也会有较大的差别。CCD就目前来看,主要可分为三种类型:线性CCD、矩阵性CCD(普通CCD)和超级CCD。线性CCD每次只拍摄图像的一条线,这与平板扫描仪扫描照片的方法相同。由于这种CCD精度高,速度慢,无法用来拍摄移动的物体,也无法使用闪光灯,因此在很多场合不适用,这就导致了目前采用线性CCD的以扫描仪为多,而数码相机采用的则不多,只是用于高分辨率的静态照相机。

像素决定一切?CCD技术全剖析 [2]


另一种是矩阵式CCD,由于它被目前大多数的数码相机所采用,所以人们又通常将它称之为普通CCD。普通CCD的每一个光敏元件代表图像中的一个像素,当快门打开时,整个图像一次同时曝光。通常矩阵式CCD用来处理色彩的方法有两种。一种是将彩色滤镜嵌在CCD矩阵中,相近的像素使用不同颜色的滤镜。典型的有G-R-G-B和C-Y-G-M两种排列方式。这两种排列方式成像的原理都是一样的。在记录照片的过程中,相机内部的微处理器从每个像素获得信号,将相邻的四个点合成为一个像素点。该方法允许瞬间曝光,微处理器能运算得非常快。这就是大多数数码相机CCD的成像原理。因为不是同点合成,其中包含着数学计算,因此这种CCD最大的缺陷是所产生的图像总是无法达到如刀刻般的锐利。


普通的CCD



超级CCD

像素决定一切?CCD技术全剖析 [3]


超级CCD的另一意义是使CCD的面积与像素矛盾得以缓和。因为要提高影像质量就必须增加CCD的像素,因此在CCD尺寸一定的情况下,增加像素就意味着要缩小了像素中的光电二极管。我们知道单位像素的面积越小,其感光性能越低,信噪比越低,动态范围越窄,因此这种方法不能无限制地增大分辨率,所以,如果不增加CCD面积而一味地提高分辨率,只会引起图像质量的恶化。但如果在增加CCD像素的同时想维持现有的图像质量,就必须在至少维持单位像素面积不减小的基础上增大CCD的总面积。而目前更大尺寸CCD加工制造比较困难,成品率也比较低,因此成本也一直降不下来,这一矛盾对于CCD而言是难以克服的。“超级”CCD的设计可以使这一矛盾得以缓和。其像素按45度角排列为蜂窝状后,控制信号通路被取消,节省下的空间使光电二极管得以增大,而八角形的光电二极管因更接近微透镜的圆形,从而可以比矩形光电二极管更有效的吸收光。光电二极管的加大和光吸收效率的提高使每个像素的吸收电荷增加,从而提高了CCD的感光度和信噪比。

三、技术的新旧


  同样是超级CCD,第三代和第四代的成像质量都会有较大的差别,第四代超级CCD是富士在2003年1月22日发布的CCD,它包括了超级CCD HR和超级CCD SR。


  超级CCD HR在图像感应器细微化方面迈出了一大步,它能在一块1/1.7英寸的芯片上总共集成663万像素*。配备这种图像感应器的数码相机能生成1230万记录像素,因此输出图像具备极高的分辨率。


采用了富士第4代超级CCD的相机F700


和超级CCD HR一样,采用了细微化技术的超级CCD SR动态范围达到了以前产品的4倍以上。同样地,它也能够在一块1/1.7英寸的芯片上总共集成670万像素*(335万S像素和335万R像素)(注:*指截止2003年1月,1/1.7英寸CCD的最大像素数)。


  第四代超级CCD SR 整合了高感光度的S像素(大像素)和起到拓宽动态范围作用的R像素(小像素)。通过合成这两种像素,在各种场景中第四代超级CCD SR 能够传递更高的感光度和更宽的动态范围。


CCD在今年的新技术方面还有索尼的四色滤光技术。2003年7月16日,Sony公司正式宣布将会在自己全新的消费级CCD产品上采用全新的四色滤光技术,这项全新的技术无疑会为整个数码相机业界的发展带来全新的概念,Sony 800万像素F828数码相机产品就是采用了此类全新CCD设计生产的。


  众所周知,传统的感光无非红绿蓝RGB三色,数码相机所应用的CCD/CMOS感光单元是采用彩色滤光片原理,每个像素各感应不同的颜色,然后再将这些颜色重新组合成一个有效像素。按照传统的光感测方式,在单一的感光层必须采集红绿蓝RGB三个色光,因此CCD或者CMOS必须被设计成为马赛克方式排列,而传统感光标准是对绿色光采集50%光量,对红色和蓝色各采集25%光量,每个像素各感应不同的颜色,然后再通过数字模块转换将色彩仿真组合成为影像输出。虽然说有不少业界厂商一直在针对CCD/CMOS的排列感光进行修正调整,并不断推出新排列或者新光感标准的产品,但是都在本质上相对从前没有很大的差别,直到今天:Sony作为业界CCD巨头推出新的概念――四色滤光技术。


索尼推出的带四色滤光技术的CCD

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全新的四色滤光标准应该被称为RGBE,相对从前的RGB而言,全新的E被Sony认为是一种亮蓝色标准,这里的E就是英文祖母绿单词Emerald的缩写(看上去应该算是青绿色)。Sony认为全新的四色滤光技术将会更加接近于人眼自然色彩识别标准,从而能够达到更为真实的色彩还原标准,在RGBE技术发布的同时,Sony也同期公布了一种全新的图像处理模块以配合全新的四色滤光CCD模块。


配合全新的RGBE技术和全新的图像处理模块,新一代的RGBE CCD模块可以将数码相机在色彩还原上的错误降低至少一半,而数码相机在蓝绿、红色方面的还原生成效果也将同时得到加强。另外,全新的图像处理单元也会在能耗方面作相应的优化,相对从前配合RGB技术所采用的图像处理模块可以节省至少30%的能耗,当然全新的图像处理单元更会有效提升数码相机的拍摄速度和回放速度,Sony认为整个全新的RGBE模块设计将整体提升现有数码相机产品的性能表现。


四、CCD面积大小


  我们在网上看数码相机技术指标时,通常会发现有CCD面积的标称。一般来说,CCD的面积越大其成像质量就越好,这是因为CCD由很多“感光单元”构成,它们将经过镜头的光按照强度转换成电讯号。简单地说:在分辨率相同、生产工艺都一样的情况下,镜头CCD的面积越大,单个“感光单元”的面积也越大,其信噪比和感光能力也就越高,成像的质量也就越好。此外CCD成像面积越大,可以使用的镜头口径越大、焦距也可以越长,从而降低了对镜头分辨率的要求。其实这与普通相机120底片的成像效果普遍要好于135底片的道理类似。


  就图像传感器而言,芯片面积越小,制造的成本就越低,但成像效果就越差,例如在面积只有1/2.7英寸左右的感光面积上排列几百万个像素点,会让每个像素的感光面积缩小到了3微米~5微米。如果想在这样的芯片面积上再增加像素数,就会带来图像信噪比降低、等效感光度降低等大量问题。在300万像素的数码相机刚刚出现的时候,很多比较专业的用户还是更欣赏具有1/2英寸大CCD的佳能PowerShot Pro70 168万像素的图像质量,其中单个感光单元的面积较大就是一个重要因素。


  当然由于大面积的CCD生产工艺要求非常高,而且大面积CCD的成品率也不高,所以导致生产成本居高不下,也就导致在分辨率相同的情况下采用大面积CCD数码相机的售价要高出同类产品很多,例如,如果拿索尼的MVC-CD300与P92这两款产品放在一起比较,我们就会发现,前者是300万像素,而后者是400像素,但前者价格却比后者高了许多!个中原因在于除了镜头的大小等不同因素外,CCD面积的大小也是影响数码相机成像质量和价格的一个极重要的因素。当然,作为普通用户来讲,过分关注CCD面积并没有太大的实际意义,毕竟影响数码相机最终成像质量的因素还有很多。

本文来自:网易

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