数码摄影入门(五)—谈数码相机的CCD

一篇文章我们对目前常见的图像传感器做了简单的介绍，这次我们来谈一谈数码相机领域内图像传感器的“老大”——CCD。虽然图像传感器有许多种，CMOS传感器也已经占据了数码单反领域的半壁江山；但仍然可以这么认为，至少在近期和可以预见的将来，CCD技术仍会是数码成像技术的主流，至少在非数码单反相机中，CCD的“NO.1”地位不会轻易动摇。

应用于数码相机上的CCD有好多种，从信号传输方式上分，大致可以分为全帧传输CCD、隔行传输CCD两种；从滤镜类型来分，可分为原色CCD和补色CCD；从感光单元形状和排列方式来分，又可分为普通CCD和富士公司的“超级CCD”。由于CCD的生产工艺复杂，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。

CCD的工作原理：

CCD的结构就象一排排输送带上并排放满了小桶，光线就象雨滴撒入各个小桶，每个小桶就是一个像素。按下快门拍照的过程，就是按一定的顺序测量一下某一短暂的时间间隔中，小桶中落进了多少“光滴”，并记在文件中。一般的CCD每原色的光度用8位来记录，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在记录色彩时可以更精确，尤其是在光线比较暗时。早期的CCD是隔行扫描的，同一时刻，每两行小桶，只有一行被测量，这样可以提高快门速度，但图像精度大为降低。 随着技术的进步，人们已能让CCD记录在几十分之一秒，甚至几千分之一秒的时间里，落进各个“小桶”的“光滴”的量，所以，新的CCD一般都是逐行扫描的。
全帧传输(FullFrame Transfer)CCD和隔行传输(Interline Transfer)CCD：

普通消费级的数码相机商采用的都是隔行传输CCD，它在一块半导体上集成制造出感光器件：光电二极管和一些电路。每个单元呈整齐的矩阵式排列，行数乘以列数就是这个CCD的像素数量。每个像素单元中有大约30％的面积用来制造光电二极管，在剩余的可用面积中，会放置一个转移寄存器。在接受一个指令后，光电二极管感受到的光强，会被放置在这个转移寄存器中并暂时存储在这里，这是一个模似信号。接着就是把这每一个像素中的光强值，变成数字信号，再由相机中的处理器组合成一幅数字图像。由于每个像素单元中，真正用于感光的面积只占30％左右，所以它的感光效率比较低。所以在真正的成品中，会在每个像素单元的上面，再放一个小的光学镜片，我们把它叫做“微透镜”。微透镜在光电二极管的正上方，面积造得比较大，这样就能把更多的入射光集中到光电二极管上，使等效的感光面积达到像素面积的70％左右。

全帧传输CCD和隔行传输CCD的工作原理： 柯达的专业数码相机中采用的CCD是全帧传输CCD。在每个像素单元中，有70％的面积用来制造光电二极管。整个像素的框内几乎全是感光面积。不需要也没办法放置更大面积的光学镜片来提高它的采光量。它的读出顺序和隔行传输CCD是一样的。这种结构的好处是，可以得到尽量大的光电二极管，达到更好的成像质量。可以说，同样的CCD面积，全帧传输肯定会有更好的性能。全帧传输CCD在感光器件中的每个光电二极管的有效像素的面积更大，从而可以捕捉到更多的图像数据。一般而言，全帧传输CCD能够捕捉到的有效图像数据大约是隔行传输CCD的两倍，从而具有更大的动态范围、更低的噪点和较高的感光度等优点，从而改善了暗部和高光部分的细节表现。但是全帧传输CCD不能输入视频图像，不能用液晶屏做取景器，必须以机械快门配合工作。奥林巴斯的E-1也是采用了这种CCD。

原色CCD和补色CCD：

实际上CCD本身是不能分辨颜色的，所以，在实际应用时需要使用色彩滤镜，一般地就是在CCD器件的滤镜层涂上不同的颜色。滤镜上不同的色块按G-R-G-B(绿-红-绿-蓝)的顺序象马赛克一样排列，使每一片“马赛克”下的像素感应不同的颜色。例如，在一个130万像素的CCD上，有325000个像素感应红色，325000个像素感应蓝色，650000个像素感应绿色。在一个使用这种CCD的分辨率为1280x1024的数码相机中，有640x512个红色像素、640x512个蓝色像素和640x1024个绿色像素，绿色像素多一点，是因为人类眼睛对绿色的敏感性和对其它颜色不一样。最后在记录图像时，每个像素的真实色彩就是它与周围像素象混合的平均值。目前大多数数码相机都是采用这种CCD。

而补色CCD使用了另一种排列方式的滤镜，它的颜色是直接涂在CCD表面的，其色彩是按C-Y-G-M(青-黄-绿-洋红)的顺序排列的，每个像素的最终颜色也是取其与周围像素的平均值，但这种算法更为复杂一些。在一个分辨率为1280x1024的使用这种CCD的数码相机中，有640 x 512个青色像素，640x512个黄色像素640x512个绿色像素以及640x512个洋红色像素。佳能的早期数码相机，比如PowerShot Pro70、PowerShot A50就是采用了这种CCD。

超级CCD：

富士的“超级CCD”技术发展于1999年，八角形的光电二极管和蜂窝状的像素排列大大改善了每个像素单元中的光电二极管的空间有效性。这对于同样数量像素的传统CCD而言，它有更高的灵敏度、更高的信噪比和更广泛的动态范围。

普通CCD由于在互相垂直的轴上间隔较大，使其水平和垂直分辨率低于对角线上的分辨率，而“超级CCD”互相垂直的轴上间隔变窄，因此水平和垂直分辨率高于对角线上的分辨率，这也就意味着水平和垂直分辨率得到了相对提高。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”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。“超级CCD”发展到了第四代，技术已经比较成熟，但目前为止仅有富士一家相机厂商采用。