数码相机揭秘系列--CCD和CMOS
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发布时间：2022-04-29 23:16
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时间：2022-06-25 15:33
数码相机的诞生，不仅创造新的摄影经验和器材，同时随着电子组件的应用和知识的突然增多，而直接或间接的创造出许多新名词。对于常常使用数码相机的人来说，这些名词可能已经耳熟能详了，然而，要想将它们完全的讲清楚、说明白，恐怕也不是那么容易。于是我特别将几组常用的名词做了整理，以方便大家更简易地认识数码相机。大家请关注我们这一系列，第一期，我先从取代传统相机底片的CCD说起，事实上，这也是数码相机的最重点。
一、传统CCD：
相信不少朋友都知道CCD的重要性，也知道它是决定数码相机性能的重要组件，但真的要说明白CCD，也不是一句两句话可以的。
1、认识CCD
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图1
CCD（Charge Coupled Device ，感光耦合组件）为数码相机中可记录光线变化的半导体〈如图1〉，通常以百万像素（megapixel）为单位。数码相机规格中的多少百万像素，指的就是CCD的分辨率，也就是指这台数码相机的CCD上有多少个感光组件。
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图2
CCD上感光组件的表面具有储存电荷的能力，并以矩阵的方式排列（如图2）。当其表面感受到光线时，会将电荷反应在组件上，整个CCD上的所有感光组件所产生的信号，就构成了一个完整的画面。因此，CCD通常用在数码相机（Digital Camera）与扫瞄器（Scanner）上，作为感光的组件。
2、CCD的“三文治”结构
如果把CCD解剖，你会发现CCD的结构就像三明治一样，第一层是“微型镜头”，第二层是“分色滤色片”以及第三层“感光层”。你一定觉得很奇怪，为什么“镜头”会直接做在CCD上呢？
第一层“微型镜头”
其实，这是一个英语翻译上的语误：“ON-CHIP MICRO LENS”,它是1980年初，由SONY领先发展出来的技术。这是为了有效提升CCD的总像素，又要确保单一像素持续缩小以维持CCD的标准面积。因此，必须扩展单一像素的受光面积。但利用提高开口率（采光率）来增加受光面积，反而使画质变差了。所以，开口率只能提升到一定的极限，否则CCD将成为劣品。为改善这个问题，SONY率先在每一感光二极管上（单一像素）装置微小镜片。这个设计就像是帮CCD戴上眼镜一样，感光面积不再因为传感器的开口面积而决定，而改由微型镜片的表面积来决定。如此一来，可以同时兼顾单一像素的大小，又可在规格上提高开口率，使感光度大幅提升（如图3）。
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图3
第二层是“分色滤色片”
CCD的第二层是“分色滤色片”，目前有两种分色方式，一是RGB原色分色法，另一个则是CMYG补色分色法。这两种方法各有优缺点。不过以产量来看，原色和补色CCD的产量比例约在2比1左右。
原色CCD的优势在于画质锐利，色彩真实，但缺点则是噪声问题。因此，大家可以注意，一般采用原色CCD的数码相机，在ISO感光度上多半不会超过400。相对的，补色CCD多了一个Y*滤色器，在色彩的分辨上比较仔细，但却牺牲了部分影像的分辨率，而在ISO值上，补色CCD可以容忍较高的感度，一般都可设定在800以上（如图4、图5、图6、图7）。
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图4
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图5
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图6
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图7
第三层：感光层
CCD的第三层是“感光片”，这层主要是负责将穿过滤色层的光源转换成电子信号，并将信号传送到影像处理芯片，将影像还原。
3、CCD排列
传统CCD排列为矩阵，然而这样的做法却*了在有效面积中再提升分辨率的能力（以现行的技术来看1.8寸CCD理想值约为六百万像素，而在成本和制造合格率的考虑下修正至四百万是合理值）。因此，有些厂商很聪明的想出改变CCD的排列顺序，希望由此增强解析度。FUJI Fine Pix 4700就是采用这种作法。FUJIFILM所开发的技术称之为“SUPER CCD”，这技术是将CCD像素本体以45度角回转，呈蜂巢式状排列（如图8），结果是将PHOTO diode间的配线部分不要，以实现其更大化。因为像素的形状及垂直方向的差较少，成为近似八角形，使受光部分变大。实现相当于ISO 800的高感度。SUPER CCD的S/N与以往相比较约高2倍，颜色的再现也大幅改善。其结果特别是high light部分和Shadow部分的色调再现性大幅提升，使分辨率和色调平衡，可拍出较为平滑的画像。
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图8
这里需要指出的是，FUJI宣称在1.7英寸下原先的240万画素升级到430万！尽管效果如此惊人，然而还是要看到实际的测试报后才能判定这样的效果到底增强了多少分辨率。
二、CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconctor，互补性氧化金属半导体〉
CMOS和CCD一样同在数码相机中可记录光线变化的半导体。CMOS的制造技术和一般计算机芯片没有什么差别，主要是利用硅和锗这两种元素所做成的半导体，使其在CMOS上共存着带N（带正电）和 P（带负电）级的半导体，这两个互补效应所产生的电流即可被处理芯片纪录和解读成影像。然而，CMOS的缺点就是太容易出现杂点, 这主要是因为早期的设计使CMOS在处理快速变化的影像时，由于电流变化过于频繁而会产生过热的现象。
那么你会问CMOS还有什么优势？其实CMOS对抗CCD的优势在于成本低,耗电需求少, 便于制造, 可以与影像处理电路同处于一个芯片上。但由于上述的缺点，CMOS 只能在经济型的数码相机市场中生存。
当初Canon D30选择以CMOS作为感光组件就让不少专家“摔破了眼镜”,因为高端的数码相机中使用CMOS实在非常的罕见。然而就最近在DPREVIEW上看到的CANON D30 BETA所公布的实测相片看来CMOS似乎已经突破以往的不足，其效果是直*CCD。目前尚无法得知的是究竟CANON D30改良了原先CMOS的设计，还是在解读图像的芯片上做了*性的改良。不可否认的，CMOS只有CCD三分之一左右的耗电量, 这对电池效能需求日益殷切的数码相机来说朝向CMOS发展或许是开发未来新机种的解决之道。
如果大家对于CMOS还有不清楚的地方，以下的网址有CMOS的英文详细说明：
http://tech-www.informatik.uni-hamburg.de/applets/cmos/cmosdemo.html
三、新一代CCD技术革新
时代在变，传统的CCD技术已经没有办法满足现在使用者对数码相机的需求了。以下，我们将简介两款在2002 年所新推出的具有代表性的两种CCD技术，让大家对于CCD有更深刻的了解：
富士发表第三代Super CCD技术（如图9、图10）
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图9
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图10
1999年日本富士开发出第一代的SuperCCD，应用在FinePix 4700z上，由于可提高像素和分辨率，因此大受欢迎，然后2001年富士修正了第一代Super CCD所有的噪声缺点，并提升有效像素到310万，最大像素602万的更高分辨率。这批CCD被装配在 FinePix 6800z/6900z上，成为该年度富士最畅销的数码相机。新一代的SuperCCD III结合以上的优势，又新加入了：
信号处理能力——这项技术的创意在于利用相机内建的信号处理处理器，整合在第一次拍照所得（2832X2128）的照片，具体是以RGB为标准，以三色每4个像素为一个计算依据，整合出该照片在ISO 1600高感度时应有的表现。运用计算的原理，可提高并修正相片在低光亮下应有的色彩，避免电子干扰所增加的噪声比。但缺点是原来高像素的相片，得出的成果会被缩成（1280X960）大小比例。
CCD 水平/垂直像素混合运算——这是SuperCCD III又一项特殊技能，也是世界首次CCD采用水平/垂直像素混合运算技术。这种方式可以让有效像素300万的CCD跨过一般在QVGA动画录制 （分辨率 320×240），速度被*在15fps的门槛——因为速度再快下去，数码相机的处理速度不够，画面容易偏暗。这次通过运算法，整合多个像素成一个，让数码相机在动画的快门*放开，所以SuperCCD在VGA的分辨率下（640×480）可以达到最大30fps的录像能力。并能有效提高感度达4倍以上。换言之，以SuperCCD III所拍摄的动画具有VCD的水准了。
美国Foveon公司发表多层感色CCD技术
在Foven公司发表X3技术之前，一般CCD结构是类似蜂窝状的滤色版（图11），下面垫上感光器，借以判定入射的光线是RGB三原色的哪一种。
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图11
然而，蜂窝技术（美国又称为马赛克技术）的缺点在于：分辨率无法提高，辩色能力差以及制作成本高昂。也因此，这些年来高端CCD的生产一直被日本所垄断。新的X3技术，让电子科技成功的模仿“真实底片”的感色原理（图12），依光线的吸收波长“逐层感色”！，对应蜂窝技术一个画素只能感应一个颜色的缺点，X3的同样一个像素可以感应3种不同的颜色，大大提高了影像的品质与色彩表现。
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图12
支持更强悍的CCD运算技术VPS(Variable Pixel Aize）；此外，X3还有一项特性，非常类似我们先前介绍的SuperCCD III水平垂直运算整合的方式，同样通过“群组像素”的搭配（图13）。X3也可以达到超高ISO值（必须消减分辨率），高速VGA录画速率。比SuperCCD更强悍的在于X3每一个Pixel（像素）都可以感应三个色彩值，在理论上来说，X3的动画拍摄在相同速度条件下，可能比SuperCCD III还来得更精致。
