CCD/CMOS的成像原理(内含rgb元件如何分布)
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现在的相机所使用的影像传感器有两种,一种是技术比较成熟的CCD,一种是新兴的代表未来方向的CMOS。
目前市面上大部分相机使用的影像传感器是CCD(Chagre Couled Device),即电荷耦合器,是一种特殊的半导体材料。它是由大量独立的光敏元件组成,这些光敏元件通常是按矩阵排列的,通常以百万像素(megapixel)为单位。相机规格中的多少百万像素,指的就是CCD的分辨率,也就是指这台相机的CCD上有多少感光组件。光线透过镜头照射到CCD上,并被转换成电荷,每个元件上的电荷量取决于它所受到的光照强度。当你按动快门,CCD将各个元件的信息传送到A/D上,模拟电信号经过A/D处理后变成数字信号,数字信号以一定格式压缩后存入缓存内,此时一张数码照片就诞生了。CCD通常用在相机、DV和扫描仪上,作为感光的组件。(关于CCD到底长得什么模样以及它的组件放大图片,见下面两张)
传统CCD排列为矩阵,然而这样的作法却限制了在有效面积内提升分辨率的能力。1/1.8CCD的理想值大约为六百万像素,而在成本和制造良品率的考虑下降低至四百万是合理值。因此,有些厂商很聪明的想出改变CCD的排列顺序,藉此想在此范围内增强分辨率。由此产生了一种比较特殊的CCD,叫SUPER CCD。它是富士公司独创的,并没有采用常规正方形二极管,而是使用了一种八边形的二极管,像素是以蜂窝状形式排列,并且单位像素的面积要比传统的CCD大。将像素旋转45度排列的结果是可以缩小对图像拍摄无用的多余空间,光线集中的效率比较高,效率增加之后使感光性、信噪比和动态范围都有所提高。(关于两种CCD的排列对比见下图)
随着用户的要求不断提高,传统的CCD技术已经没有办法满足现在使用者对数字影像的需求。为了迎合用户需求,占领市场,近几年一些厂商又推出了几种新的CCD技术:
2002年初,富士发布第三代Super CCD。2003年初,富士发布第四代Super CCD(见下图)
2002年2月,美国Foveon公司发布多层感色CCD技术。在Foveon公司发表X3技术之前,一般CCD的结构是类似以蜂窝状的滤色版(见下图),下面垫上感光器,藉以判定入射的光线是RGB三原色的哪一种。
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,这些年来高阶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(见下图),依光线的吸收波长逐层感色,对应蜂窝技术一个像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。
X3还有一项特性,那就是支持更强悍的CCD运算技术VPS(Variable Pixel Aize)。透过“群组像素”的搭配(见下图)。X3可以达到超高ISO值(必须消减分辨率),高速VGA动画录像。比Super CCD更强悍的在于X3每一个像素都可以感应三个色彩值,就理论上来说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。
2003年中期,SONY发布4色感应CCD。传统的CCD为三原色矩阵,新的SONY CCD将浅绿色加入。新一代的CCD不仅在省电及功率上做文章,对色彩的表现也有了更多的提高。SONY公司一改以往三色CCD的传统,创新推出一个具备“新颜色”的四色过滤CCD,命名为ICX456。(4色分布情况见下图,左图为传统CCD的3色分布,右图为ICX456的4色分布)新增的E这个颜色是Emerald(应该翻译成祖母绿吧)。不同于以往三个原色RGB,E这个颜色加强了对自然风景的解色能力,让绿色这个层次能够创造出更多的变化。应用的效果有点类似喷墨打印机加装淡蓝和洋红这两种淡色,以期能够增强混色能力与效果,此外配合新色阶的CCD,SONY也开发了新的图像处理器,不仅有效的减少了30%的功率消耗,更加快了处理速度和绿色色阶分析能力。
这项发明的特点在于传统的DC主要使用3色过滤矩阵,对每一个光点(或称像素)产生3种不同颜色的强度:红色(R),绿色(G)和蓝色(B)数据,再将这些数据整合发色,形成我们所看到的影像。然而,根据实验指出人类视觉系统对绿色的敏感度要高于其它两种,这也使传统的CCD矩阵对颜色的配比采取了红和蓝各25%,绿色50%的现象。可是颜色差别仍无法在这样的配比中得到修正,起因则是人类的视觉比较接近模拟效果,而非切割成数字阶层。为了让风景的颜色更加逼真,SONY这项技术有效的将深绿、浅绿分别导引取样,对绿色的忠实再现有很大的助益。
后面补充说明一下CCD的基础结构:
好奇的人可以把DC拆开仔细看看CCD的样子,不过,我可不保证你一定装得回去,请三思而后行。下图是美能达DiMAGE 7的CCD感光组件的近摄特写。
事实上绝大多数的DC说明书里,都以这种方式描述CCD。在某方面来说,容易误导用户以为CCD只是一块芯片而已。但实际上CCD是和处理器做成一个完整的组件(见下图)。这样的设计可以确保DC的组件化,降低维修和检查的成本(也就是说可以运用计算机检测组件运作,一旦自我检查出特定组件问题,直接更换整个组件,而不需要再一个个去测试单体,简单省事,这也是DC维修费用居高不下的一个原因)。
如果切开CCD,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,以及第三层感光汇流片。为什么“镜头”会直接做在CCD上呢?其实,这应该是英语翻译上的问题,具体原因我也不太清楚。ON-CHIP MICRO LENS是1980年初由SONY领先发展出来的技术。这是为了有效提升CCD的像素,又要确保单一像素持续缩小以维持CCD的标准体积。因此必须扩展单一像素的受光面积。但利用提高开口率来增加受光面积反而使画质变差。所以开口率只能提升到一定的极限,否则CCD将成为劣质品。为改善这个问题,SONY率先在每一个感光二极管上(单一像素)装置了微小镜片。这个设计就像是帮CCD挂上眼镜一样,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,又可在规格上提高了开口率,使感光度大幅提升。(见下图)