淺析CCD、Super CCD與CMOS之“CCD”

  數碼相機的發展真可謂一日千里,近來各種新的感光技術紛紛涌現。很多數碼相機生產廠商大肆宣揚自己的產品像素有多少多少高,畫質怎么怎么好。顧客在選購數碼相機時也比較困惑,心里沒底。為了讓大家對目前市場上常見的三種數碼相機感光芯片--CCD、SUPER CCD、CMOS有一個大概的了解,我們對這三種感光元件做了個總結,歡迎各位讀者和我們進行探討。

一、 CCD

  大部分數碼相機使用的感光元件是CCD(Chagre Couled Device),它的中文名字叫電荷耦合器,是一種特殊的半導體材料。他是由大量獨立的光敏元件組成,這些光敏元件通常是按矩陣排列的。光線透過鏡頭照射到CCD上,并被轉換成電荷,每個元件上的電荷量取決于它所受到的光照強度。當你按動快門,CCD將各個元件的信息傳送到模/數轉換器上,模擬電信號經過模/數轉換器處理后變成數字信號,數字信號以一定格式壓縮后存入緩存內,此時一張數碼照片誕生了。然后圖像數據根據不同的需要以數字信號和視頻信號的方式輸出。

  目前主要有兩種類型的CCD光敏元件,分別是線性CCD和矩陣性CCD。線性CCD用于高分辨率的靜態照相機,它每次只拍攝圖象的一條線,這與平板掃描儀掃描照片的方法相同。這種CCD精度高,速度慢,無法用來拍攝移動的物體,也無法使用閃光燈。因此在很多場合不適用,不在今天我們討論的范圍里。

  另一種是矩陣式CCD,它的每一個光敏元件代表圖象中的一個像素,當快門打開時,整個圖象一次同時曝光。通常矩陣式CCD用來處理色彩的方法有兩種。一種是將彩色濾鏡嵌在CCD矩陣中,相近的像素使用不同顏色的濾鏡。典型的有G-R-G-B和C-Y-G-M兩種排列方式。這兩種排列方式成像的原理都是一樣的。在記錄照片的過程中,相機內部的微處理器從每個像素獲得信號,將相鄰的四個點合成為一個像素點。該方法允許瞬間曝光,微處理器能運算地非???。這就是大多數數碼相機CCD的成像原理。因為不是同點合成,其中包含著數學計算,因此這種CCD最大的缺陷是所產生的圖象總是無法達到如刀刻般的銳利。

  另一種處理方法是使用三棱鏡,他將從鏡頭射入的光分成三束,每束光都由不同的內置光柵來過濾出某一種三原色,然后使用三塊CCD分別感光。這些圖象再合成出一個高分辨率、色彩精確的圖象。如300萬像素的相機就是由三塊300萬像素的CCD來感光。也就是可以做到同點合成,因此拍攝的照片清晰度相當高。該方法的主要困難在于其中包含的數據太多。在你照下一張照片前,必須將存儲在相機的緩沖區內的數據清除并存盤。因此這類相機對其他部件的要求非常高,其價格自然也非常昂貴。

二、SUPER CCD

  SUPER CCD是由富士公司獨家推出的,它并沒有采用常規正方形二極管,而是使用了一種八邊形的二極管,像素是以蜂窩狀形式排列,并且單位像素的面積要比傳統的CCD大。將像素旋轉45度排列的結果是可以縮小對圖像拍攝無用的多余空間,光線集中的效率比較高,效率增加之后使感光性、信噪比和動態范圍都有所提高。富士公司宣稱,SUPER CCD可以實現相當于ISO 800的高感度,信噪比比以往增加30%左右,顏色的再現也大幅改善,電量消耗減少了許多。富士公司宣稱SUPER CCD可與多40%像素的傳統CCD的分辨率相媲美, SUPRE CCD打破了以往CCD有效像素小于總像素的金科玉律,可以在240萬像素的SUPER CCD上輸出430萬像素的畫面來。因此,富士公司和他們的SUPER CCD一推出即在業界引起了廣泛的關注。

  在傳統CCD上為了增加分辨率,大多數數碼相機生產廠商對民用級產品采取的辦法是不增大CCD尺寸,降低單位像素面積,增加像素密度。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,動態范圍越窄。因此這種方法不能無限制地增大分辨率。如果不增加CCD面積而一味地提高分辨率,只會引起圖象質量的惡化。但如果在增加CCD像素的同時想維持現有的圖象質量,就必須在至少維持單位像素面積不減小的基礎上增大CCD的總面積。但目前更大尺寸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。
傳統CCD中的每個像素由一個二極管、控制信號路徑和電量傳輸路徑組成。SUPER CCD采用蜂窩狀的八邊二極管,原有的控制信號路徑被取消了,只需要一個方向的電量傳輸路徑即可,感光二極管就有更多的空間。SUPER CCD在排列結構上比普通CCD要緊密,此外像素的利用率較高,也就是說在同一尺寸下,SUPER CCD的感光二極管對光線的吸收程度也比較高,使感光度、信噪比和動態范圍都有所提高。


  那為什么SUPER CCD的輸出像素會比有效像素高呢?我們知道CCD對綠色不很敏感,因此是以G-B-R-G來合成。各個合成的像素點實際上有一部分真實像素點是共用,因此圖象質量與理想狀態有一定差距,這就是為什么一些高端專業級數碼相機使用3CCD分別感受RGB三色光的原因。而SUPER CCD通過改變像素之間的排列關系,做到了R、G、B像素相當,在合成像素時也是以三個為一組。因此傳統CCD是四個合成一個像素點,其實只要三個就行了,浪費了一個,而SUPER CCD就發現了這一點,只用三個就能合成一個像素點。也就是說,CCD每4個點合成一個像素,每個點計算4次;SUPER CCD每3個點合成一個像素,每個點也是計算4次,因此SUPER CCD像素的利用率較傳統CCD高,生成的像素就多了。


  科學是要以事實來說話的,再有道理的理論沒有事實基礎還是一句空話。經過我們反復對富士SUPER CCD的幾款民用級數碼相機試拍后發現,至少對民用級的SUPER CCD來說,在其最大分辨率的圖象質量并沒有人們想象地那么好。除了色彩還原比較艷麗外,我們可以在藍天和暗部細節發現有明顯的噪音信號,成像清晰度一般。這就說明240萬像素的民用級SUPER CCD無法達到其標稱的430萬輸出像素。那么240萬像素的SUPER CCD到底相當于多少像素的CCD呢?根據上一段的陳述,我認為SUPER CCD對像素的利用率比CCD高33%,因此其輸出像素也應該比CCD高33%。富士FINEPIX 4900的總像素為240萬像素,根據我的估算,它的輸出像素大概相當于320萬(240×133%=320萬)。而4900標稱的輸出尺寸是430萬像素,那么這110萬像素是怎么多出來的呢?我想可能是使用了插值技術。這就可能是為什么我們在以100%的尺寸看SUPER CCD拍攝的照片總不是很清楚的原因了。如果要客觀公正地對待使用SUPER CCD的FINEPIX4900、FINEPIX4700等相機就應該將其看作一部320萬像素的數碼相機。

三、CMOS

  我們對CMOS的認識是從去年佳能公司發布EOS D30的準專業級數碼機身開始的。當時許多業內人士都大吃一驚,對采用這種廉價的材料來做感光元件感到不可思議,認為CMOS的成像質量無法滿足較高要求的專業用戶的需要。那用CMOS做的感光元件在成像質量上真的一無是處嗎?還是讓我們先來了解一下什么是CMOS吧。CMOS即互補性金屬氧化物半導體,其在微處理器、閃存和ASIC(特定用途集成電路)的半導體技術上占有絕對重要的地位。CMOS和CCD一樣都可用來感受光線變化的半導體。CMOS主要是利用硅和鍺這兩種元素所做成的半導體,通過CMOS上帶負電和帶正電的晶體管來實現基本的功能的。這兩個互補效應所產生的電流即可被處理芯片紀錄和解讀成影像。


  CMOS針對CCD最主要的優勢就是非常省電。不像由二極管組成的CCD,CMOS 電路幾乎沒有靜態電量消耗,只有在電路接通時才有電量的消耗。這就使得CMOS的耗電量只有普通CCD的1/3左右,這有助于改善人們心目中數碼相機是"電老虎"的不良印象。我們知道在佳能EOS系列AF相機上,CMOS一直在測光對焦系統中使用。佳能在這方面有雄厚的技術力量和豐富的經驗。發展到今日已經比較容易地以較低的成本制造較大大尺寸的CMOS感光芯片,并且CMOS可以將影像處理電路集成在芯片上。CMOS主要問題是在處理快速變化的影像時,由于電流變化過于頻繁而過熱。暗電流抑制得好就問題不大,如果抑制得不好就十分容易出現雜點。D30有專門的回路控制暗電流,在長于1秒的曝光時降噪系統會自動工作,可以從很大程度上降低噪點的產生。



  此外,CMOS與CCD的圖像數據掃描方法有很大的差別。舉個例子,如果分辨率為300萬像素,那么CCD傳感器可連續掃描300萬個電荷,掃描的方法非常簡單,就好像把水桶從一個人傳給另一個人,并且只有在最后一個數據掃描完成之后才能將信號放大。CMOS傳感器的每個像素都有一個將電荷轉化為電子信號的放大器。因此,CMOS傳感器可以在每個像素基礎上進行信號放大,采用這種方法可節省任何無效的傳輸操作,所以只需少量能量消耗就可以進行快速數據掃描,同時噪音也有所降低。這就是佳能的像素內電荷完全轉送技術。


  我們通過INTERNET查看了大量由CANON EOS D30所拍攝的照片,發現CMOS的成像效果一點也不比傳統CCD差。這種能耗低、制造相對容易的感光芯片如果能在影像的銳利度、動態范圍等方面再做進一步的努力,相信CMOS是未來數碼相機的發展方向。

--摘自中華醫學影像技術網

 
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