揭秘数码相机的芯

揭秘数码相机的芯

感光元件

    面对数码相机多达几十种的品牌、上千款型号的产品，以及不计其数的经销商，消费者该如何选择适合自己的数码相机产品呢？今天我们结合前面的数码相机横向评测以及前沿技术的内容，从影像核心感光元件(CCD和CMOS)的角度帮助大家选择适合自己的数码相机产品。

    在数码相机中有3个核心部件直接影响画质，它们分别是镜头、感光元件和图像处理系统。提到数码相机的感光元件我们首先要了解CCD和CMOS这两个名词，它们是数码相机用来感光成像的部件，相当于光学传统相机中的胶卷。感光器件的面积越大，也教师CCD/CMOS面积越大，相同时间段中捕获的光线就越多，感光性能就越好，信噪比越高。

    感光元件的尺寸影响成像效果的关键因素

    感光元件的尺寸影响成像效果的关键因素

    感光元件的尺寸是影响感光元件成像效果的一个关键因素。传统的照相机胶卷尺寸为35mm，35mm为胶卷的宽度(包括齿孔部分)，35mm胶卷的感光面积为36mmx24mm(长x宽)。换算到数码相机，感光面积的对角长度越接近35mm，CCD/CMOS尺寸就越大。在单反数码相机中，很多都是拥有接近35mm对角线长度的CCD/CMOS，例如尼康的DX幅面，传感器尺寸面积达到23.6mmx15.8mm，比消费级数码相机要大很多，而佳能EOS1Ds系列和尼康FX系列的传感器尺寸为36mmx24mm，达到了35mm胶卷的成像面积，称之为全画幅相机，当然成像质量也相对较好。

    现在市面上的消费级数码相机的感光元件主要有2/3英寸、1/1.8英寸、1/2.7英寸、1/2.3英寸等几种。传感器尺寸越大，感光面积越大，成像效果越好。比如1/1.8英寸的300万像素相机效果通常好于1/2.7英寸的400万像素相机。而相同尺寸的CCD/CMOS像素增加固然是件好事，但这也会导致单个像素的感光面积缩小，有曝光不足的可能。但如果在增加CCD/CMOS像素量的同时，维持现有的图像质量，就必须在至少维持单个像素面积不减小的基础上增大CCD/CMOS的总面积。

    不同传感器的特性差异

    不同传感器的特性差异

    CCD(电荷耦合元件，Charge-coupledDevice)是一种半导体器件，能够把光学影像转化为数字信号，它具有的优点很多，其中包括灵敏度高、抗强光、畸变小、体积小、寿命长、抗震动等。下面简单说说CCD感光元件的基本特征。

    采用CCD的数码单反相机，图像饱和度较高，图像较为锐利，质感更加真实，尤其是在低感光度下，成像有良好的表现。但是，从目前数码单反相机的表现来看，CCD的噪点随着感光度的升高而增加较快，高感光度下的噪点控制并不是CCD传感器的强项。也就是说CCD传感器的优势表现在低感光度下，这时候能充分发挥CCD传感器的优势，比如色彩鲜艳图像质感鲜活等等。CCD的另一个特点是，它的表面更容易形成静电场，所以更容易吸附灰尘。所以，对于采用CCD传感器的数码单反相机来说，防尘措施必不可少，甚至要定期进行清理。目前，市场上主流的数码单反相机中，采用CCD传感器的数码单反相机包括尼康D40/D40X、D60，D80，D200，索尼a100/200/300/350。

    说到CCD技术就不得不提到富士及其SuperCCD产品，目前最新的SuperCCDEXR技术已被应用于众多富士数码相机中。EXR技术可以达到超高分辨率、超宽动态范围、高感光度和低噪点的效果。

    SuperCCD是由富士公司独家推出的，它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度排列的结果能提高单像素的受光面积，也就是感光的效率比较高，效率增加之后会使感光性、信噪比和动态范围都有所提高。富士公司宣称，SuperCCD可以实现相当于ISO800的高感度，信噪比比以往增加30%左右，色彩表现也大幅改善，电量消耗减少了许多。而SuperCCDEXR技术就是在原有的SuperCCD技术基础上，将斜向45度两个相邻的像素点设计成相同颜色，既减少了邻近像素色彩之间的干扰，也给采用像素合并提高感光度提供了可能。EXR可以通过合并邻近像素实现感光能力的提高，从而达到更高的感光度。更重要的是，由于斜向邻近像素采用相同颜色，这样在像素合并的时候就可以从根本上避免传统结构CCD在高感光度时容易出现的杂色现象，大幅提高EXR在高感光下拍摄照片的画质。提高画面动态范围是EXR的又一特色，EXR采用了两组通道同时捕捉入射光线，两组通道的感光单元面积完全相同，并分别对亮部和暗部计算曝光，最后通过类似Photoshop的图层合并概念将两个通道取得的图像完美合并，得到一张拥有较宽动态范围的照片。

    使用SuperCCDEXR技术的机型有富士FINEPIXF75EXR、F85EXR、F200EXR以及S205EXR等。

    SuperCCDEXR技术

    CMOS的特性在某些程度上跟CCD完全相反。CMOS传感器在低感光度下的成像也非常干净，但是，采用CMOS传感器的数码单反相机成像看上去偏灰(在不调整的情况下)，色彩饱和度较低，质感和锐度的表现也要稍逊一筹。目前大多数CMOS具备硬件降噪机制，因此噪点随着感光度的升高增加较慢。同时，在高感光度下，CMOS传感器噪点控制表现反而好过CCD传感器。佳能的全系列数码单反相机均采用CMOS传感器，这也是佳能的数码单反相机在高感光度下表现较好的一个原因。而尼康D300、D700、D3系列，索尼α700、宾得K20D、三星GX-20等采用CMOS传感器的数码单反相机在高感光度下也有较好的表现。CMOS的另一个优点是数据读取速度快，因此那些连拍速度较快的数码单反相机都采用CMOS传感器。另外，CMOS相对CCD的功耗较低，除了省电以外，也相对不容易吸附灰尘。

    市场上采用CMOS的厂商有很多，如索尼研发的背照式CMOS—ExmorRCMOS和适马FoveonX3。

    背照式CMOS

    背照式CMOS

    ExmorRCMOS背面照明技术感光元件，改善了传统CMOS感光元件的感光度。ExmorRCMOS采用了与传统CMOS的设计顺序正好相反，向没有布线层的一面照射光线的背面照射技术。由于不受金属线路和晶体管的防碍，开口率(光电转换部分在一个像素中所占的面积比例)可提高近100%。与其以往1.75μm间隔的表面照射产品相比，背面照射产品在灵敏度(S/N)上具有很大优势。在信噪比方面，背照式CMOS影像传感器实现了高画质，在实现了低噪点的同时，提高了接近2倍的灵敏度，因此新开发的CMOS影像传感器的信噪比提高了+8dB(灵敏度提高+6dB，噪音下降-2dB)。同时，ExmorRCMOS传感器自身的噪点也很低，即使是在全黑环境下，该传感器的抑噪水平也比传统表面照射型更好，其噪点比过去的产品要低2dB。从技术角度上看，使用背照式CMOS可以在高感光度条件下很好地抑制噪点。使用背照式的主要产品包括索尼DSC-TX1、理光CX3以及富士FINEPIXHS11等。

    FoveonX3

    FoveonX3

    说到CMOS技术不得不提到的是适马特殊的FoveonX3技术，它是全球第一款通过分层的方式捕捉全部色彩的图像传感器阵列。一般采用CCD或者CMOS的数码相机是在1个像素上通过在同一平面上并排排列的3个感光模块记录RGB3种颜色，而FoveonX3的1个像素上包含3层感光元件，每层只记录RGB的1个颜色通道，这样在相同像素面积下，FoveonX3的感光能力更强。传统的光电耦合器件只能感应光线强度，不能感应色彩信息，需要通过滤色镜来感应色彩信息，我们称之为Bayer滤镜。而FoveonX3在1个像素上通过不同的色彩感应层，最表面一层感应蓝色、第二层感应绿色，第三层感应红色。它是根据硅对不同波长光线的吸收效应来分辨色彩，从而来实现一个像素感应全部色彩信息的目的。FoveonX3这项革新技术可以提供更加锐利的图像和更好的色彩，适用机型包括适马DP1、DP2以及SD14等机型。

    LiveMos

    在可更换镜头已经成为趋势的今天，松下和奥林巴斯的LiveMOS也有着一定的影响了。LiveMOS感光器件在画面质量方面可以媲美全画幅CCD，功耗上则可媲美CMOS。简化的电路使得光电二极管到微透镜的距离缩短，从而保证了优秀的灵敏度和大入射角的画面质量。在分辨率方面，LiveMos具有优秀的低照度性能特性；采用了低躁声技术，降低颗粒性；简化了寄存器和其他电路，使得FFT-CCD感光二极管的感光面积更大，提高了灵敏度和提高响应速度；功耗大约是FFT-CCD的一半；简单的电路结构提高了整体的处理速度。现在的LiveMOS感光器件主要在奥林巴斯和松下的全部可更换镜头数码相机中使用。

    选购：传感器坏点检测

    通过以上传感器种类和品牌的介绍，大家已经可以明白，在现今的数码相机市场中，从传感器角度上来说，CCD和CMOS的成像已经没有明显的差距了，虽然在不同产品中所使用的传感器还有不同，但选择不同传感器的主要原因是厂商出于成本方面的考虑。

    作为数码相机3大核心元件之一的感光传感器，它的质量会直接影响画质，对于传感器的坏点问题我们不得不说明，大家可以按照下述方法检查一下自己的数码相机是否有坏点问题。CCD坏点不是噪点，它是指数码相机的成像元件中某个感光单元损坏，造成该点无法正常成像或者感光，从而导致每张照片的同一固定位置出现全白、全黑或某种颜色的斑点。但是一般我们很难检测CCD或者CMOS。那么如何才能检查数码相机的坏点？直接用肉眼在数码相机小小的液晶显示屏上看是很难分辨出坏点的，即使将照片输入电脑通过肉眼往往也不容易发现坏点，这里我们就要用到专门测试数码相机坏点的软件DeadPixelTest了。

    为了避免噪点的干扰，可以把数码相机的ISO调整到最低，光圈设置为最大光圈，关闭闪光灯、日期显示、防抖、防红眼灯等影像画质增强的功能，拍摄下全黑或者全白的影像。可以变换快门时间多拍摄几张进行比对。在拍摄时还要注意的是，最好是开机一段时间以后进行拍摄，因为有的坏点是在长时间使用后才会出现，刚刚开机就进行拍摄，往往不易发现。

    在电脑中运行软件DeadPixelTest中文版(在本期光盘中可以找到)，在测试前我们要对坏点和噪点的检查范围进行设置，将“噪点界限数值”设定为“60”流明；“坏点界限数值”设定为“250”流明。设置完毕后将之前采集的图片导入，测试软件程序会自动进行测试。在“统计结果”右边便会出现坏点和噪点的测试数目。噪点不是问题，但是坏点是传感器的硬伤，大家也可以借此软件，测试一下各个ISO值下，相机的噪点状况。

    介绍过几款感光元件，我们来总结一下，购买时如何来选择合适的感光元件。

    1.在主流数码相机中，从成像质量、性能表现到功耗，CCD和CMOS成像已经没有了其中哪种一定好的现象，因此在购买时不需考虑在这个环节的选择。

    2.在像素相同条件下，感光元件CCD/CMOS面积越大越好。因为感光元件面积越大，感光性能越好，信噪比越高，暗部细节表现就越丰富，画面层次就越清晰，照片的立体感就越强。

    3.小尺寸的感光元件在性能上也有可取之处，即“偷焦段”现象。由于感光元件的尺寸大小不同，对镜头的焦段造成了很大影响，产生了一系列的折算系数。例如，佳能全画幅和尼康FX全画幅的折算系数都是1；佳能APS-H的折算系数为1.3，佳能APS-C的折算系数为1.6；尼康DX幅面的折算系数为1.5；索尼折算系数为1.5；宾得折算系数为1.53；奥林巴斯和松下的折算系数为2。该系数在广角端有弊无利，无形中减小了广角的范围，但是在长焦端增加焦段，如尼康70mm~200mm的镜头安装在FX全画幅单反相机中，焦段保持不变，但是装配在系数为1.5的DX幅面单反相机中，其焦段直接变成了140mm~300mm。