數(shù)碼相機(jī)原理

1、數(shù)碼相機(jī)原理當(dāng)幾年前有人提出數(shù)碼相機(jī)（下文昵稱DC）在未來(lái)必定取代傳統(tǒng)銀鹽相機(jī)時(shí)，很多人都對(duì)這一在當(dāng)時(shí)看來(lái)頗為荒謬的論調(diào)嗤之以鼻，而現(xiàn)在看來(lái)隨著DC銷量的井噴式增長(zhǎng)、傳統(tǒng)菲林銷量的下挫，DC在開(kāi)創(chuàng)數(shù)字時(shí)尚玩物新概念的同時(shí)，也在潛移默化的改變著人們沿襲了多年的生活方式。筆者深感有義務(wù)讓更多的消費(fèi)者了解與DC相關(guān)的一些技術(shù)原理，以便在選購(gòu)乃至使用中愈發(fā)的得心應(yīng)手，便由此萌發(fā)了撰寫這一系列文章的念頭。在當(dāng)前的大環(huán)境下，“這款相機(jī)是多少萬(wàn)像素”想必是我們最常聽(tīng)到的一句話了，時(shí)至今日影像傳感器（Image Sensor）的“像素”仍是消費(fèi)者選購(gòu)DC的第一考慮因素，不可否認(rèn)像素有著駕馭最終成像質(zhì)量的能力，

2、但DC商品化至今我們也逐漸感受到，像素的增加在某種程度上并未對(duì)畫質(zhì)提高起到積極的作用，這無(wú)疑與我們的傳統(tǒng)思維大相徑庭。索尼F828的800萬(wàn)像素2/3英寸CCD與R1的千萬(wàn)像素APS-C尺寸CMOS目前流行在數(shù)碼影像業(yè)中的影像傳感器主要分三種：幾乎被索尼和松下壟斷的CCD，富士獨(dú)家技術(shù)Super CCD，還有就是前不久才運(yùn)用到DC產(chǎn)品中的CMOS。從上世紀(jì)七十年代世界上一臺(tái)數(shù)碼相機(jī)誕生以來(lái)，CCD從最初發(fā)展到500萬(wàn)像素耗費(fèi)了近三十年時(shí)間；而從500萬(wàn)跳躍到800萬(wàn)像素只用了1年多時(shí)間，打破了原本每1年提升100萬(wàn)像素的慣例，之后又因畫質(zhì)原因開(kāi)倒車推出了700萬(wàn)像素，接著消費(fèi)者等待了約兩年時(shí)間

3、，期間出現(xiàn)的900萬(wàn)像素Super CCD讓我們對(duì)千萬(wàn)像素到來(lái)的期待愈發(fā)強(qiáng)烈，不久前索尼終于引領(lǐng)我們跨過(guò)了這不可逾越的鴻溝，但主角卻變成了CMOS。往事歷歷在目，回顧影像傳感器的發(fā)展仿佛就是數(shù)碼影像業(yè)發(fā)展的血淚史！CCD物理結(jié)構(gòu)與工作原理一、尺寸折算與物理結(jié)構(gòu)我們常在DC的基本參數(shù)中看到該型號(hào)使用了多少英寸多少像素的CCD，比如1/2.7英寸300萬(wàn)像素、1/1.8英寸500萬(wàn)像素，這其中“1/X英寸”到底是怎么計(jì)算出來(lái)的呢？這時(shí)有人就參照電視機(jī)顯象管的尺寸標(biāo)識(shí)，將這個(gè)參數(shù)理解成CCD對(duì)角線的長(zhǎng)度，這是一種不太嚴(yán)謹(jǐn)?shù)恼f(shuō)法。需要注意的是“1/X英寸”并不是CCD的尺寸單位，而是CCD的長(zhǎng)寬比例。

4、這沿襲了上個(gè)世紀(jì)五十年代初電視顯象管規(guī)格的4:3標(biāo)準(zhǔn)，故我們不能說(shuō)是CCD對(duì)角線長(zhǎng)度的原因就在于此。由于CCD是在晶圓體上通過(guò)特殊工藝蝕刻出來(lái)的，遵循統(tǒng)一的4:3的長(zhǎng)寬比例這一行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，能更有效的控制生產(chǎn)成本。但是當(dāng)我們按這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)折算CCD尺寸的時(shí)候就會(huì)發(fā)現(xiàn)，算出的面積往往比真實(shí)面積大出許多，這是因?yàn)椤?/X英寸”表示的是包括電路部分在內(nèi)的整塊CCD的對(duì)角線長(zhǎng)度，并非CCD中感光核心部分的對(duì)角線長(zhǎng)。事實(shí)上我們現(xiàn)在所接觸到的CCD尺寸的說(shuō)法是參考傳統(tǒng)攝像機(jī)內(nèi)的真空攝像管的對(duì)角線長(zhǎng)短來(lái)衡量的，它嚴(yán)格遵守了Optical Format規(guī)范，中文譯名為光學(xué)格式，其數(shù)值稱為OF值，單位為英寸。因此CCD

5、尺寸的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算方法是其實(shí)際對(duì)角線長(zhǎng)度（單位：mm）/16，我們以1/1.8英寸的CCD作例，這個(gè)1/1.8英寸就是計(jì)算公式中的OF值，161.88.89mm，這就是該CCD感光核心部分對(duì)角線的實(shí)際長(zhǎng)度了，這下大家都心里有數(shù)了吧?，F(xiàn)在讓我們來(lái)探討一下CCD的物理結(jié)構(gòu)，CCD僅僅是一種在硅基板表面通過(guò)絕緣膜使大量獨(dú)立的、透明的光電二極管（下文簡(jiǎn)稱電極）排列起來(lái)的固態(tài)電子元件（如圖1），若按CCD內(nèi)部的電極排列來(lái)分，現(xiàn)在DC中普遍采用的都為矩陣型結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)是色彩表現(xiàn)力更強(qiáng)、光譜范圍更廣和色彩密度更高等諸多優(yōu)勢(shì)。圖1如傳統(tǒng)菲林膠片一樣，CCD也包含了多個(gè)結(jié)構(gòu)層，由上至下分別為感光層、色彩還原層、信號(hào)

6、轉(zhuǎn)換層（如圖2）。圖2目前作為整個(gè)光電半導(dǎo)體行業(yè)老大的索尼將其專利技術(shù)融入其中，故業(yè)內(nèi)大部分品牌的DC中都裝載了索尼的Super HAD CCD，中文譯名為超級(jí)空穴堆積CCD。這里我們就結(jié)合出鏡率最高的索尼CCD來(lái)對(duì)其構(gòu)成作進(jìn)一步的說(shuō)明，CCD頂部感光層的專業(yè)術(shù)語(yǔ)叫做“微透鏡”（Microlens），如圖3所示，Super HAD CCD改變了傳統(tǒng)CCD內(nèi)部微透鏡的形狀和排列，縮小了兩兩間的相鄰間距，增強(qiáng)了微透鏡下面感光電極對(duì)入射光線的吸收率，進(jìn)而提升了電極對(duì)光線的敏感度，如圖4所示，紅色線條表示Super HAD CCD隨光線強(qiáng)度變化的敏感度曲線，藍(lán)色則為傳統(tǒng)CCD的敏感度變化曲線。圖4二、

7、信號(hào)的傳輸方式大家可能都對(duì)CCD的成像原理略有所知，但對(duì)于其內(nèi)部的信號(hào)傳輸方式卻知之甚少。在光電半導(dǎo)體行業(yè)內(nèi)CCD的輸出方式分相互傳遞型和單一傳遞型兩種，其中“相互傳遞方式”早已成為CCD制造中的主流技術(shù)，包括出貨量最大的索尼CCD。下面就對(duì)該技術(shù)進(jìn)行分析。圖5圖5為我們揭示了CCD結(jié)構(gòu)層中最底層的工作原理，可見(jiàn)圖中每一個(gè)感光電極都對(duì)應(yīng)了一個(gè)信號(hào)垂直傳輸單元，當(dāng)光線透過(guò)鏡頭射到CCD表面時(shí)，相應(yīng)強(qiáng)度的電荷量就被蓄積在電極下面，每單位蓄積電荷量的多少取決于每單位感光電極受到光照的強(qiáng)弱，當(dāng)我們按下快門釋放開(kāi)關(guān)，各單位上的電信號(hào)（電流或電壓）被輸送到A/D（模擬/數(shù)字）轉(zhuǎn)換器上，這就完成了一次光電信

8、號(hào)的轉(zhuǎn)換與傳輸過(guò)程?，F(xiàn)在讓我們參照?qǐng)D5，以電極排列是三行四列的模擬圖示具體理解相互傳遞型的工作方式。先從圖中的C行開(kāi)始：第一步、DC集成電路中的時(shí)鐘發(fā)生器（Clock Drivers）發(fā)送驅(qū)動(dòng)脈沖，使C行四列全部電極下蓄積的電荷往左邊的垂直傳輸單元輸送；第二步、時(shí)鐘發(fā)生器繼續(xù)對(duì)垂直傳輸單元發(fā)送驅(qū)動(dòng)脈沖，使電荷縱向轉(zhuǎn)移至CCD的底部；第三步、重復(fù)上述兩個(gè)步驟后，整個(gè)C行的電荷被全部輸送到CCD底部的水平傳輸單元；第四步、時(shí)鐘發(fā)生器繼續(xù)對(duì)水平傳輸單元發(fā)送驅(qū)動(dòng)脈沖，將c行四列的全部電荷順次輸出至集成電路上的A/D轉(zhuǎn)換器中，這時(shí)便完成了對(duì)整個(gè)C行電荷的輸出；第五步、重復(fù)上述四步將其余兩行的蓄積電荷量全

9、部輸出至A/D轉(zhuǎn)換器中。這就已經(jīng)完成了光信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換了。CCD還原色彩的秘密一、彩色濾鏡的結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)上文剖析的信號(hào)轉(zhuǎn)換后，此時(shí)得到的還是一個(gè)灰調(diào)的影像，必須經(jīng)過(guò)色彩還原才是我們最終見(jiàn)到的絢麗多彩的數(shù)碼照片。CCD對(duì)環(huán)境色彩的還原過(guò)程有一個(gè)專業(yè)術(shù)語(yǔ)叫做“白平衡”。由于CCD中的感光電極只能感受光線的強(qiáng)弱，對(duì)光的色彩卻完全沒(méi)有分辨能力，因此CCD都使用了“彩色濾鏡”（Color Filter Array），這正是其結(jié)構(gòu)中的色彩還原層，濾鏡的作用是只能讓特定波長(zhǎng)的光線通過(guò)，從而達(dá)到攝取所需顏色的目的。通過(guò)前文的講解我們都已經(jīng)知道了在CCD內(nèi)部感光電極為矩陣形排列，因此一一對(duì)應(yīng)對(duì)應(yīng)的彩色濾鏡也為矩

10、陣型結(jié)構(gòu)，其排列方式具有相當(dāng)?shù)囊?guī)律性，按照過(guò)濾的色彩不同而被分為三種。在DC發(fā)展的初級(jí)階段，CCD中使用的都是補(bǔ)色（Complmentary）濾鏡，如圖6所示其也被成為“CMY濾鏡”，分別代表了可以過(guò)濾青、黃、綠、洋紅，四種顏色光線。圖6而現(xiàn)在原色（Primary）濾鏡為業(yè)內(nèi)通用的色彩還原技術(shù)，如圖7所示，其中包含綠色（G）、藍(lán)色（B）和紅色（R）濾鏡單元，故又被親切地稱為“RGB濾鏡”。圖7至于第三種我們可以當(dāng)作是曇花一現(xiàn)的技術(shù)，它就是索尼在2003年底發(fā)布的800萬(wàn)像素F-828中所使用的4color濾鏡技術(shù)，索尼認(rèn)為傳統(tǒng)的RGB濾色方式是為了適應(yīng)彩色電視機(jī)和電腦顯示器的色彩特性應(yīng)運(yùn)而生的

11、，但與人眼的視覺(jué)感受略有不同，才會(huì)出現(xiàn)顯示的顏色與真實(shí)顏色間有一定微妙的差異，因此4color濾鏡結(jié)構(gòu)在原來(lái)的RGB三色濾鏡結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上添加了一組翡翠綠色（Emerald）的濾鏡單元（圖8）。圖8二、色彩還原的算法為了能更清楚地說(shuō)明色彩還原這個(gè)過(guò)程，我們姑且先將一個(gè)電極加一片濾鏡構(gòu)成的單元當(dāng)作最終照片中的一個(gè)像素。例如使用500萬(wàn)像素的DC拍照，最大可以拍攝分辨率為25921944的照片，這表示照片中有25921944個(gè)像素點(diǎn)，若我們將照片的分辨率設(shè)定在16001200，這時(shí)千萬(wàn)不要誤認(rèn)為這么多像素中只有16001200個(gè)像素點(diǎn)參與成像，而是整個(gè)CCD感光面積都感受光線，接下來(lái)以原色濾鏡為例具

12、體剖析CCD進(jìn)行色彩還原秘密的時(shí)候就容易理解的多了。參照?qǐng)D7的原色濾鏡結(jié)構(gòu)示意圖，我們發(fā)現(xiàn)其排列為G-R-G-R（綠、紅、綠、紅）一行，另一行則為B-G-B-G（藍(lán)、綠、藍(lán)、綠），從而依次構(gòu)成了分布均勻的RGB排列，這在影像工業(yè)中被稱為三原色，通過(guò)相互間加權(quán)運(yùn)算的組合，幾乎能構(gòu)成我們現(xiàn)實(shí)生活中的所有色彩。仔細(xì)一算這才發(fā)現(xiàn)紅色、藍(lán)色單元與綠色單元的比例為1:1:2，這是由于CCD本身材質(zhì)的光敏特性導(dǎo)致了其對(duì)綠色光線敏感度不及紅色與藍(lán)色光線，因此通常需要2個(gè)綠色單元配合1個(gè)紅色單元和1個(gè)藍(lán)色單元。經(jīng)過(guò)如圖9所示的光線濾色后，每個(gè)濾鏡對(duì)應(yīng)的電極下都蓄積了相應(yīng)的色彩信息。現(xiàn)在我們可以想象出經(jīng)過(guò)色彩過(guò)濾

13、后的“數(shù)碼照片”是個(gè)什么樣子了，應(yīng)該是1/4為紅色、1/4為藍(lán)色，剩下的1/2為綠色的“馬賽克”式的圖案，這樣的照片與我們腦海中絢麗多彩的數(shù)碼照片的模樣相差甚遠(yuǎn)，當(dāng)然啦，色彩還原進(jìn)行到這一步僅僅是提取了被攝場(chǎng)景中的紅、綠、藍(lán)三種元素。圖9在這里筆者先要說(shuō)明的是對(duì)三原色進(jìn)行加權(quán)計(jì)算就不完全是CCD的工作了，此時(shí)影像處理器（Image Engine）也在依照DC內(nèi)置的軟件算法配合CCD對(duì)色彩信息進(jìn)行協(xié)同處理?？上У氖敲繂挝幌袼攸c(diǎn)只能記錄三原色其中一種顏色的數(shù)據(jù)，必須湊足三原色才能進(jìn)行相互間的加權(quán)組合，因此影像處理器就會(huì)通過(guò)某一像素點(diǎn)周圍其他像素的色彩信息來(lái)進(jìn)行色彩還原。參看圖10所示的色彩還原示意

14、圖，以圖中B2像素為例，該像素只留有綠色信息，周圍分別有2個(gè)藍(lán)色像素（B1/B3），2個(gè)紅色像素（A2/C2）和4個(gè)綠色像素（A1/A3/C1/C3），影像處理器便利用周圍這8個(gè)像素點(diǎn)的色彩信息，再結(jié)合B2像素本身的數(shù)據(jù)進(jìn)行環(huán)境色彩的還原，經(jīng)過(guò)色彩疊加后才能最終形成數(shù)碼照片中的一個(gè)真實(shí)像素。其他像素點(diǎn)的色彩還原同出一轍，可見(jiàn)每一個(gè)實(shí)際像素的生成都有周圍8個(gè)三原色像素點(diǎn)的參與，比如B2本身在被還原的同時(shí)也將色彩信息提供給周圍8個(gè)像素進(jìn)行色彩還原，被加權(quán)計(jì)算了8次，正因如此數(shù)碼照片才會(huì)變得如此靚麗。圖10三、補(bǔ)色與原色的差異補(bǔ)色濾鏡技術(shù)早在2001年左右就已經(jīng)淘汰出了DC領(lǐng)域，但直到現(xiàn)在仍有相當(dāng)多

15、的數(shù)碼攝像機(jī)（昵稱DV）仍在使用該技術(shù)進(jìn)行色彩還原，這里就順便介紹兩種技術(shù)間的差異?，F(xiàn)在我們都知道了原色濾鏡在色彩還原時(shí)采用了色彩疊加的加權(quán)計(jì)算方式，如圖11的混色關(guān)系圖所示，補(bǔ)色濾鏡則進(jìn)行的是減法運(yùn)算。圖11由于三原色是進(jìn)行色彩還原的前提條件，所以原色濾鏡直接就可以對(duì)環(huán)境色彩進(jìn)行真實(shí)的還原，而補(bǔ)色濾鏡需要先通過(guò)減色法構(gòu)成三原色之后，才能加權(quán)計(jì)算出更多的真實(shí)像素。加權(quán)計(jì)算的方法和原色濾鏡并無(wú)不同，其過(guò)程筆者就不再贅述了，但最終的色彩還原效果卻有著天壤之別，補(bǔ)色濾鏡還原出的畫質(zhì)整體對(duì)比度偏低、色彩飽和度不足，完全沒(méi)有原色濾鏡的艷麗效果（圖12）。圖12四、噪點(diǎn)與壞點(diǎn)筆者身邊相當(dāng)多數(shù)量的朋友在選購(gòu)

16、DC時(shí)，都對(duì)CCD是否會(huì)出現(xiàn)噪點(diǎn)（Noise Pixel）或壞點(diǎn)（Dead Pixel）心存顧慮，他們通常都會(huì)使用一些所謂的測(cè)試軟件進(jìn)行檢測(cè)，先不討論這類軟件的有效性和測(cè)試結(jié)果的真實(shí)性，光是這樣的測(cè)試方法就已經(jīng)步入了誤區(qū)。所謂壞點(diǎn)就是拍攝后我們看見(jiàn)照片中出現(xiàn)了明顯不亮或是永遠(yuǎn)亮著的點(diǎn)，這主要是在CCD的制造過(guò)程中產(chǎn)生的，也是不可避免的，就像LCD液晶顯示器一樣，無(wú)論怎樣改良生產(chǎn)技術(shù)，總會(huì)生產(chǎn)出一些不良品。無(wú)論怎樣最后被用來(lái)生產(chǎn)DC的CCD都是已經(jīng)在上游廠商那里經(jīng)過(guò)壞點(diǎn)測(cè)試的，因此對(duì)市場(chǎng)中正在銷售的DC進(jìn)行各種各樣的CCD壞點(diǎn)測(cè)試相信都不會(huì)有任何不好的結(jié)果產(chǎn)生。若是在使用了幾年后突然某一天發(fā)現(xiàn)C

17、CD上有壞點(diǎn)產(chǎn)生，這種可能性反而更大一些，這是由于CCD中感光電極的光敏性能降低所致。而噪點(diǎn)如圖13中框住部分所示，則是因DC影像處理時(shí)電流變化頻繁過(guò)熱引起的，故噪點(diǎn)也被稱為熱點(diǎn)（Hot Pixel），尤其在拍攝夜景的時(shí)候特別容易發(fā)現(xiàn)，比如照片中夜晚的天空出現(xiàn)了白點(diǎn)或紅點(diǎn)。很多用戶都認(rèn)為即使是噪點(diǎn)的話，如果每次總處于同一個(gè)位置，那么這個(gè)點(diǎn)還能不能算作是CCD上的壞點(diǎn)呢？參考DC廠商的解釋來(lái)說(shuō)，噪點(diǎn)的位置也有始終處于同一位置的可能，因此我們并不能完全將它當(dāng)作壞點(diǎn)來(lái)對(duì)待，但這也的確是由CCD中某幾個(gè)感光電極的光敏性能降低所造成的。那么對(duì)于這類位置固定的噪點(diǎn)，廠商內(nèi)部都是如何解決的呢？他們會(huì)用專用的

18、寫入軟件將CCD上固定的噪點(diǎn)在DC的Fireware程序中標(biāo)注起來(lái)，當(dāng)然我們也可以通俗的理解為屏蔽這個(gè)噪點(diǎn)，那么在色彩還原時(shí)該點(diǎn)有沒(méi)有色彩信息就已經(jīng)不重要了，而是通過(guò)周圍8個(gè)像素點(diǎn)的數(shù)據(jù)來(lái)加權(quán)計(jì)算出該點(diǎn)的真實(shí)像素。噪點(diǎn)只能盡量避免卻不能完全消除，但軟件的屏蔽總歸沒(méi)硬件改善來(lái)得徹底，只有改善DC內(nèi)部集成電路的設(shè)計(jì)，才能盡可能避免噪點(diǎn)的產(chǎn)生，這時(shí)我們可愛(ài)的廠商便開(kāi)發(fā)成功了影像處理器（Image Engine）作為獨(dú)立的影像處理單元，無(wú)疑大大降低了包括CPU在內(nèi)的其他硬件回路的工作負(fù)荷，降低了因發(fā)熱而形成噪點(diǎn)的機(jī)率。Part 1：CCD毫發(fā)必現(xiàn)的奧秘一、解像力概念撥亂反正身為數(shù)碼愛(ài)好者的我們，也讀過(guò)

19、為數(shù)不少的DC評(píng)測(cè)了，不少媒體將其中一項(xiàng)重要的評(píng)測(cè)內(nèi)容稱為分辨率測(cè)試，其實(shí)Reslution這個(gè)詞在這里翻譯成“分辨率”并不合適，正確的中文譯名應(yīng)該為“解像力”。所謂解像力就DC對(duì)被攝物體中細(xì)微點(diǎn)像的再現(xiàn)能力，通俗理解就是能夠通過(guò)肉眼從最終成像中分辯出很微妙的細(xì)節(jié)部分。解像力優(yōu)秀拍出的數(shù)碼照片必定是毫發(fā)必現(xiàn)般地清晰，反之解像力不佳的成像則容易將許多肉眼可見(jiàn)的細(xì)節(jié)部分變得模糊，當(dāng)然這與“銳利度”（Sharpness）這一概念相近，但卻不是同一個(gè)概念，因?yàn)橛跋竦匿J化在某種意義上也依賴于DC內(nèi)部的成像算法。（圖1）ISO12233標(biāo)準(zhǔn)卡目前用于DC解像力測(cè)試的工具是業(yè)內(nèi)權(quán)威的ISO12233標(biāo)準(zhǔn)卡（

20、圖1），常用的分析軟件是日本奧林巴斯公司開(kāi)發(fā)的HYRes。一般測(cè)試解像力的方法是使用DC拍攝標(biāo)準(zhǔn)卡中黑白相間的、密度越來(lái)越大的橫豎條紋，利用成像中線條的反差對(duì)比來(lái)評(píng)估解像力的優(yōu)劣。當(dāng)拍攝出的照片中黑白線條的走勢(shì)越密集，而界線卻越清晰越分明時(shí)，我們就認(rèn)為這款DC的解像能力越高。如圖2所示為HYRes軟件進(jìn)行解像力評(píng)估的放大結(jié)果，將原圖中框住部分由上至下放大10倍、20倍、30倍后分別得到了右邊的三張小圖，結(jié)果顯示了黑白線條從最初的清晰可見(jiàn)到逐漸模糊再到最后混沌一片的漸變過(guò)程，可見(jiàn)當(dāng)線條越是緊密反差也隨之衰減，最終變成全灰色，這就表明這款DC的解像力水平也到了極限。（圖2）解像力測(cè)試放大示意圖二、

21、數(shù)碼照片不如傳統(tǒng)膠卷清晰？當(dāng)前仍有相當(dāng)多數(shù)的消費(fèi)者認(rèn)為DC的成像質(zhì)量不高，甚至還不如傳統(tǒng)銀鹽相機(jī)拍攝出的照片毫發(fā)必現(xiàn)般地清晰，除了因拍攝者自身的攝影技術(shù)造成的成像模糊外，還與哪些因素有關(guān)呢？在這里有必要先對(duì)解像力的標(biāo)示方法做一下解釋，我們常聽(tīng)說(shuō)這款DC的解像力達(dá)到50線或100線等等，這種數(shù)值標(biāo)示指的是成像中1mm寬度的范圍內(nèi)可清晰再現(xiàn)的黑色線條的數(shù)目。眾人皆知傳統(tǒng)35mm膠片的面積比CCD要大上好幾倍，因此當(dāng)同一場(chǎng)景分別被膠片和CCD曝光時(shí)，為了保證最終影像的清晰與完整，這就要求DC配備的鏡頭在解像能力方面比起傳統(tǒng)相機(jī)所使用的鏡頭素質(zhì)更高。這聽(tīng)起來(lái)挺讓人費(fèi)解的，為了讓我們弄明白這個(gè)問(wèn)題，先來(lái)

22、看圖3所示的傳統(tǒng)膠片解像力示意圖，從圖示我們可知拍攝解像力測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)卡后，在膠卷底片1mm的實(shí)際范圍內(nèi)，傳統(tǒng)相機(jī)的鏡頭能夠拍攝出50條黑線，說(shuō)明這支鏡頭擁有50線的解像能力。再來(lái)對(duì)比如圖4所示的面積為6.4mm4.8mm的200萬(wàn)像素CCD拍攝標(biāo)準(zhǔn)卡后的解像力示意圖，在1mm的范圍中該CCD上約有250個(gè)像素點(diǎn)，折算后等效于125條黑色線條，故該DC鏡頭的解像力就是125線。圖3 傳統(tǒng)相機(jī)解像力示意圖事實(shí)上我們可以感覺(jué)到一款DC在研發(fā)中，所配備的鏡頭并不是針對(duì)已裝載的CCD而重新設(shè)計(jì)的，比如200萬(wàn)像素的佳能A60配備的三倍光學(xué)變焦鏡頭，到了500萬(wàn)像素的A95機(jī)身上都仍在服役，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)大同小

23、異，頂多只是在原有基礎(chǔ)上進(jìn)行小修小補(bǔ)。對(duì)于類似問(wèn)題，廠商的解釋都如出一轍，說(shuō)這支鏡頭在開(kāi)發(fā)初期就考慮到足夠勝任未來(lái)多少萬(wàn)像素的成像要求。需要注意的是廠商的說(shuō)法也并非煙霧彈，他們并沒(méi)有欺騙消費(fèi)者，但有時(shí)我們甚至發(fā)現(xiàn)同一款DC在成像的清晰度方面存在著個(gè)體差異，除了因鏡頭制造過(guò)程中允許出現(xiàn)的加工誤差外，這又是什么原因造成的呢？圖4 DC鏡頭解像力示意圖三、毫發(fā)必現(xiàn)的奧秘之前多數(shù)人都將核心部件CCD比作DC中的“心臟”，筆者認(rèn)為這樣的比喻并不恰當(dāng)，整部DC與人類眼球的結(jié)構(gòu)極為相似，如果我們把鏡頭當(dāng)作“晶狀體”的話，那么CCD就好比最終聚焦的“視網(wǎng)膜”，而整個(gè)硬件回路就是“視神經(jīng)”?？梢?jiàn)對(duì)DC來(lái)說(shuō)CCD

24、承擔(dān)了對(duì)焦聚焦的工作，要知道CCD面積相對(duì)膠片大幅縮小的同時(shí)像距也在縮短，CCD的物理位置幾乎是貼著鏡筒末端的，試想假如CCD前后位置稍有差池的話，勢(shì)必會(huì)影響到最終的成像效果，通常給我們的感覺(jué)就像是成像模糊，當(dāng)然我們更愿意稱之為對(duì)焦不準(zhǔn)，但千萬(wàn)別誤認(rèn)為這是因拍攝時(shí)的抖動(dòng)造成的。兩者間微妙的距離就決定著整部DC的最終解像能力，如圖5所示，兩者間銜接的空隙完全由背部三顆螺絲的松緊來(lái)決定。前文也說(shuō)到鏡頭在制造過(guò)程中無(wú)可避免的存在加工誤差，因此理論上每臺(tái)DC都必須在工廠內(nèi)部進(jìn)行CCD解像力的調(diào)整。為了降低本文的閱讀難度，這里就簡(jiǎn)單介紹一下大致的調(diào)整方法，以便消費(fèi)者都能清楚一臺(tái)DC經(jīng)過(guò)了怎樣的內(nèi)部調(diào)整才

25、最終流到你的手上。圖5 CCD的物理位置在工廠內(nèi)部CCD解像力調(diào)整總共由廣角端水平、垂直解像力調(diào)整，長(zhǎng)焦端水平、垂直解像力調(diào)整，這四個(gè)主要項(xiàng)目構(gòu)成。圖6為工廠內(nèi)部的調(diào)整軟件截圖，軟件中的五組CH（下文稱之通道）數(shù)據(jù)分別對(duì)應(yīng)著圖5中CCD背面標(biāo)注的五個(gè)位置。CH-0表示CCD中心的解像力，CH-1、CH-2、CH-3、CH-4分別表示除中心位置外CCD其余四角的解像力。在調(diào)整過(guò)程中軟件對(duì)CCD的解像力水平進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)試與分析，進(jìn)而反饋給工程師哪個(gè)通道的解像力水平不在規(guī)格范圍內(nèi)，工程師隨即對(duì)固定螺絲的松緊度進(jìn)行調(diào)整。比如當(dāng)圖7中CH-1通道出現(xiàn)紅色的標(biāo)有“”的數(shù)值時(shí)，說(shuō)明對(duì)應(yīng)的CH-1位置的固定螺絲

26、較緊需適當(dāng)放松，反之出現(xiàn)紅色的“”數(shù)值則需要擰緊。想必大家已經(jīng)注意到了CH-2位置并無(wú)固定螺絲，那么該通道的解像力如何調(diào)節(jié)呢？很簡(jiǎn)單，由于CH-2與CH-4成對(duì)角線關(guān)系，故CH-2的解像力水平由CH-4固定螺絲的松緊度來(lái)決定，同樣的CH-0位置的解像力調(diào)節(jié)由三顆螺絲的松緊度共同決定?？傊瓹CD解像力的調(diào)整是件異常繁瑣的工作，只要保證了這五個(gè)重點(diǎn)位置的解像力素質(zhì)就能保證CCD整體的解像力水平在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格范圍內(nèi)了。圖6 工廠內(nèi)部調(diào)整軟件截圖可能大家在日常使用中都會(huì)有這樣一種感覺(jué)，那就是數(shù)碼照片中央位置的成像質(zhì)量比邊緣位置要好一些，這又是怎么回事呢？讓我們結(jié)合圖6左下部分的解像力測(cè)試曲線來(lái)理解，紅色曲

27、線對(duì)應(yīng)的是CH-0通道，也就是CCD中心位置的解像力曲線，依此類推各曲線對(duì)應(yīng)相同顏色的通道，理想狀態(tài)下各通道的解像力曲線最好重合在一起，但想要達(dá)到這種效果基本上很難，因此只要其他通道曲線的波峰在CH-0曲線內(nèi)，我們就算這個(gè)解像力結(jié)果在標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)格范圍內(nèi)，正是因?yàn)槿绱薈CD四個(gè)角的成像素質(zhì)永遠(yuǎn)都不可能超越中心區(qū)域。Part 2：像素與面積的辯證關(guān)系一、像素、面積&畫質(zhì)的三角關(guān)系曾幾何時(shí)記得一次朋友需要我推薦一款500萬(wàn)像素DC的時(shí)候，思考片刻隨即推薦了一款各方面綜合素質(zhì)都不差，成像質(zhì)量也不錯(cuò)的產(chǎn)品，哪知好友先是白了我一眼后吐出一句話“別以為我什么都不懂，500萬(wàn)像素中2/3英寸要比1/1.8英寸的

28、好不少”，聽(tīng)完本想以理?yè)?jù)爭(zhēng)作些解釋，但最終還是無(wú)奈的搖頭走開(kāi)，心想若是多作解釋恐怕會(huì)落得一個(gè)某品牌槍手的惡名。筆者舉這個(gè)親身經(jīng)歷的事例只是想說(shuō)，CCD的像素與面積儼然成為了一座由消費(fèi)者自己親手搭建起來(lái)的囚籠，多數(shù)消費(fèi)者都已淪落到偏面追求高像素，但又忍受不了小尺寸CCD的尷尬境地。在DC商品化初期，像素越高就意味著成像質(zhì)量越好，這話當(dāng)時(shí)被眾多廠商奉為真理，進(jìn)入2001至2002年這段高速普及的輝煌時(shí)期，某廠商由于種種原因并未對(duì)產(chǎn)品做像素上的升級(jí)，這恰恰違反了大環(huán)境的“真理”，隨后拋出了“像素并不決定性能” 這句頗具煽動(dòng)力的宣傳口號(hào)，也許正是從那時(shí)起，像素與性能間才劃上了不等號(hào)。一年之后當(dāng)500萬(wàn)

29、像素出現(xiàn)在市場(chǎng)中，同像素間2/3英寸和1/1.8英寸的尺寸之爭(zhēng)由此拉開(kāi)，次年當(dāng)我們高振雙臂迎接800萬(wàn)像素時(shí)代來(lái)臨的時(shí)候，小尺寸嚴(yán)重制約成像質(zhì)量的論調(diào)更是點(diǎn)燃了消費(fèi)者討伐廠商以此圈錢的導(dǎo)火線。最后的事實(shí)證明，2/3英寸800萬(wàn)像素CCD是索尼歷史上一款極其失敗的產(chǎn)品，索尼在追求高像素的同時(shí)并未增大感光面積，或減小感光電極的單位體積，以致惡劣的成像效果被消費(fèi)者詬病。廠商們一方面靠挖掘像素潛力來(lái)贏得市場(chǎng)，一方面擔(dān)心因感光電極密度過(guò)大帶來(lái)成像下降的問(wèn)題，另一方面又為了避免過(guò)大的CCD尺寸牽涉到對(duì)后續(xù)產(chǎn)品及其鏡頭的設(shè)計(jì)變更，而帶來(lái)諸多方面的成本透支。足見(jiàn)像素、面積和畫質(zhì)之間的平衡已使廠商們走入了一個(gè)進(jìn)

30、退維谷的境地。二、高像素意義的誤區(qū)筆者曾在商業(yè)周刊上看到的一篇探討數(shù)碼影像領(lǐng)域近兩年像素之爭(zhēng)的文章中的評(píng)論部分，不禁為國(guó)內(nèi)當(dāng)前對(duì)高像素意義的狹義理解而深感擔(dān)憂，評(píng)論中說(shuō)道：“當(dāng)像素達(dá)到1000萬(wàn)的時(shí)候，這種競(jìng)爭(zhēng)還有多少意義呢，除非你拍攝的照片都被用來(lái)當(dāng)海報(bào)?！睆莫M隘上理解，這句話確實(shí)在理。目前的打印機(jī)都只能輸出最大A3畫幅的圖片，更為常規(guī)的尺寸則是A4，在這樣的情況下500萬(wàn)像素已經(jīng)足夠，但我們并不能就此認(rèn)為更高的像素毫無(wú)意義。稍有經(jīng)驗(yàn)的數(shù)碼玩家就能體會(huì)出，一款800萬(wàn)像素DC設(shè)定在25921944的分辨率拍攝，仔細(xì)對(duì)比與500萬(wàn)像素DC使用最大分辨率拍攝的結(jié)果是不同的，成像算法等其他因素的影

31、響忽略不計(jì)，我們很容易就看出800萬(wàn)像素能夠獲得更多的細(xì)節(jié)表現(xiàn)力。如圖7所示，左邊為索尼F828使用500萬(wàn)分辨率拍攝的圖像，右邊為索尼F717用最大分辨率拍攝的圖像，對(duì)比后發(fā)現(xiàn)無(wú)論是在解像力還是銳利度上F828的表現(xiàn)都要高出一個(gè)檔次，因此高像素絕不是為了獲得更大的輸出尺寸而出現(xiàn)。圖7 800萬(wàn)像素與500萬(wàn)像素同級(jí)比較通過(guò)前文的講解我們完全可以把CCD中一個(gè)感光電極當(dāng)作最終成像中的一個(gè)像素點(diǎn)，在之前色彩還原過(guò)程的講解中，筆者以500萬(wàn)像素為例說(shuō)道，若是將照片的分辨率設(shè)定在16001200，這時(shí)千萬(wàn)不要誤認(rèn)為這么多像素中只有16001200個(gè)像素點(diǎn)參與成像，而是整個(gè)CCD感光面積（259219

32、44）都感受光線。故同樣道理，同一場(chǎng)景被500萬(wàn)和800萬(wàn)像素拍攝后，對(duì)應(yīng)的兩張照片中所包含的像素的點(diǎn)數(shù)一定不同，故800萬(wàn)像素所拍攝的照片中有更多500萬(wàn)沒(méi)有攝取到的細(xì)節(jié)，畢竟多出的300萬(wàn)像素不是用來(lái)增加功耗的，它們都實(shí)實(shí)在在參與了成像，面對(duì)最終的實(shí)物照片我們可以稱之為拍攝到了更多的細(xì)節(jié)畫面。三、像素與面積討論的延伸既然是用辨證眼光來(lái)看待問(wèn)題，那我們現(xiàn)在就來(lái)認(rèn)識(shí)一下高像素小尺寸的優(yōu)勢(shì)。筆者記得當(dāng)年在閱讀Dpreview網(wǎng)站主編Phil Askey先生的佳能G5評(píng)測(cè)報(bào)告的時(shí)候，就發(fā)現(xiàn)Askey寫了一段頗為有趣的話，他說(shuō)G5的默認(rèn)銳度比EOS 10D的默認(rèn)值還高，這話似乎當(dāng)時(shí)讓很多人都摸不著頭

33、腦，但我們隨后降低G5原圖的兩檔銳度后發(fā)現(xiàn)，果不其然畫質(zhì)的整體銳利度與EOS 10D相當(dāng)。同樣的當(dāng)Phil Askey在評(píng)測(cè)佳能EOS 20D的時(shí)候，他拿20D與EOS 1D Mark II作比較后又說(shuō)了相同的話。這究竟怎么解釋呢？圖8 800萬(wàn)像素解像力對(duì)比如果上文關(guān)于解像力部分的講解你能深刻領(lǐng)悟的話，那么理解下面這段文字應(yīng)該沒(méi)有困難。先來(lái)看如圖8所示的原圖裁剪對(duì)比，左邊是佳能EOS 20D，右邊是奧林巴斯C-8080W，雖然兩款產(chǎn)品基于不同的成像系統(tǒng)，且兩者的影像傳感器的感光面積差異較大，由于像素相同因此成像質(zhì)量也具備一定的可比性，我們可見(jiàn)左邊影像比右邊看起來(lái)要銳利許多。這是因?yàn)樵谟跋駛鞲?/p>

34、器尺寸相同的情況下，像素?cái)?shù)不同的影像傳感器都要記錄相同的影像信息，且要保證影像的完整和高清晰度，那么高像素傳感器必然會(huì)感知更多的信息，保留更多的細(xì)節(jié)，故在同尺寸條件下高像素傳感器在解像能力上要強(qiáng)于低像素傳感器，以及同像素級(jí)條件下小尺寸傳感器要強(qiáng)于大尺寸傳感器就是這個(gè)道理。以往在廠商的新產(chǎn)品宣傳廣告中有一句出鏡率相當(dāng)高的話，那就是“使用了解像力更高的萬(wàn)像素CCD”，相信現(xiàn)在我們總算明白這句話的真正含義了吧。雖然本文主要剖析消費(fèi)級(jí)DC的相關(guān)技術(shù)原理，但現(xiàn)在不得已插入了一些涉及專業(yè)級(jí)數(shù)碼單反相機(jī)（DSRL）的內(nèi)容，只希望最終能將問(wèn)題說(shuō)明清楚。當(dāng)然筆者也非常認(rèn)同Phil Askey先生的這種評(píng)測(cè)方法，

35、因?yàn)橥耆褂媚J(rèn)設(shè)置去評(píng)價(jià)某款產(chǎn)品是不中肯也是不實(shí)際的，所以Askey才需要在評(píng)測(cè)中做出各種調(diào)整，這點(diǎn)正是目前眾多國(guó)內(nèi)媒體對(duì)數(shù)碼影像類產(chǎn)品評(píng)測(cè)的瓶頸和理解上的誤區(qū)。本篇引言通過(guò)前兩篇對(duì)CCD傳感器相關(guān)原理的講解，聰明的讀者可能已經(jīng)意識(shí)到這樣一個(gè)問(wèn)題：“單位面積內(nèi)集成的感光電極越多，CCD的像素也就越高，若感光面積不及時(shí)做出調(diào)整，勢(shì)必會(huì)影響到最終的成像質(zhì)量”。即使我們對(duì)像素越來(lái)越高的小尺寸CCD頗有微辭，但無(wú)論如何我們都不得不承認(rèn)像素的升級(jí)始終是推動(dòng)DC向前發(fā)展的重要驅(qū)動(dòng)力。像素不但有著駕馭DC性能的能力，更是廠商們以此用來(lái)劃分產(chǎn)品線檔次的魔棒，這與CPU行業(yè)中的一些做法驚人地相似，英特爾公司為

36、了填補(bǔ)真空的市場(chǎng)，彌補(bǔ)自身產(chǎn)品線的不足，有時(shí)就把高主頻CPU標(biāo)注成低頻型號(hào)流入市場(chǎng)，而在數(shù)碼影像行業(yè)中，也出現(xiàn)了部分廠商屏蔽高像素CCD中的部分像素?cái)?shù)，借由推出了低一個(gè)檔次的同級(jí)產(chǎn)品的低像素型號(hào)，進(jìn)而達(dá)到了細(xì)分產(chǎn)品線的市場(chǎng)目的，這種變相的錯(cuò)位競(jìng)爭(zhēng)也給消費(fèi)者帶來(lái)了更大的選擇空間?？上У氖窍袼氐呐噬囟ㄔ谀撤N程度上受到來(lái)自各方面的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，難不成像素就因此成為了DC發(fā)展的瓶頸嗎？山窮水盡疑無(wú)路，柳暗花明又一村。有人發(fā)現(xiàn)將CMOS加工后也可作為DC中的影像傳感器，并在1999年被首次推向市場(chǎng)，CMOS就是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的主板上用來(lái)存儲(chǔ)BIOS資料的芯片。初期它也曾經(jīng)被裝載在DC中，但與當(dāng)時(shí)技術(shù)成熟的CC

37、D相比，信噪比差、敏感度不夠，所以沒(méi)能占居主流位置，淪落到被拍照手機(jī)、PDA等數(shù)碼產(chǎn)品采用的境地。之后由于佳能公司在CMOS感光技術(shù)上的不斷努力，隨著EOS數(shù)碼單反相機(jī)的問(wèn)世，CMOS又被重新重視起來(lái)，今年索尼公司也成功開(kāi)發(fā)出了適用于DC產(chǎn)品的CMOS傳感器，一并推出了DSC-R1這款千萬(wàn)像素級(jí)產(chǎn)品，終于使得CMOS在消費(fèi)級(jí)領(lǐng)域也能綻放光芒，相信從此CMOS與CCD在數(shù)碼影像業(yè)內(nèi)所扮演的角色比重將有所逆轉(zhuǎn)。可是目前仍有相當(dāng)多的消費(fèi)者認(rèn)為CMOS價(jià)格低廉是其最大的優(yōu)勢(shì)，據(jù)筆者所知這些都是片面之詞，究其原因您將會(huì)在這系列文章的第三篇中找到想知道的答案。Part 1：CMOS終于插足DC領(lǐng)域一、滲透

38、DC之路漫漫其修遠(yuǎn)兮CMOS曾一度占據(jù)著專業(yè)級(jí)數(shù)碼單反相機(jī)（DSLR）市場(chǎng)60以上的市場(chǎng)份額，這自然得歸功于佳能EOS D家族的功勞，比起在DSLR市場(chǎng)中生龍活虎的表現(xiàn)，DC領(lǐng)域卻遲遲不見(jiàn)CMOS的身影。當(dāng)時(shí)的形式讓我們不得不對(duì)佳能寄予厚望，最終卻事與愿違，或許佳能壓根兒都沒(méi)有想過(guò)要將CMOS技術(shù)推廣到DC產(chǎn)品上的念頭，不然為何長(zhǎng)時(shí)間都對(duì)消費(fèi)級(jí)市場(chǎng)毫無(wú)熱情，只顧自己在DSLR市場(chǎng)賺得盆滿缽滿呢。比起吝嗇的佳能，我們?cè)谶@方面或許更欣賞索尼公司的魄力，其DSC-R1也注定是一款在消費(fèi)級(jí)領(lǐng)域具有劃時(shí)代顛覆性意義的產(chǎn)品。圖1如果說(shuō)佳能是CMOS優(yōu)異成像技術(shù)的奠定者，那么索尼毫無(wú)疑問(wèn)就是CMOS技術(shù)的傳

39、教士，從2004年底開(kāi)始就已經(jīng)暴露出索尼欲將CMOS技術(shù)嫁接到DC產(chǎn)品的一些倪端。04年9月隨著尼康D2X的發(fā)布，索尼制造的第一款可用于專業(yè)機(jī)身的CMOS傳感器也隨之浮出水面（圖1）。在此之前尼康一直采用索尼的CCD制造DSLR產(chǎn)品，同時(shí)自己也在2002年與佳能、柯達(dá)及奧林巴斯在CMOS領(lǐng)域開(kāi)展了廣泛的合作，并進(jìn)行了多次嘗試，可惜的是2002年之后的幾款機(jī)型中都未能如愿，反而鼓搗出了一個(gè)變形技術(shù)LBCAST傳感器（圖2）?？梢?jiàn)D2X影像傳感器的開(kāi)發(fā)讓擁有CMOS技術(shù)功底的尼康，與擁有業(yè)內(nèi)最先進(jìn)的微透鏡技術(shù)的索尼間秘而不宣的合作關(guān)系透明化，兩家終于聯(lián)手沖破了佳能對(duì)CMOS技術(shù)守口如瓶的壁壘。鑒于

40、索尼成功推出了裝載CMOS傳感器的DC產(chǎn)品的刺激下，佳能能否被其拖下水，開(kāi)發(fā)出類似的消費(fèi)級(jí)產(chǎn)品，亦或是成長(zhǎng)為感光元件的供應(yīng)商，這就又要多打上幾個(gè)大大的問(wèn)號(hào)了。圖2二、后起之秀CMOS優(yōu)勢(shì)論筆者曾經(jīng)問(wèn)及身邊那些已經(jīng)過(guò)渡到DSLR的朋友，是什么原因促使他們義無(wú)反顧跳進(jìn)這個(gè)燒錢的陷阱時(shí)，得到的答案中“受不了小尺寸高像素帶來(lái)的噪點(diǎn)”占了多數(shù)，足見(jiàn)相當(dāng)多數(shù)的DC用戶都飽受了惡劣畫質(zhì)帶來(lái)的折磨。我們都知道影像傳感器的像素越高，感光面積中集成的感光電極的密度就越來(lái)越大，這就需要通過(guò)增加感光面積，或者縮小感光電極的單位體積來(lái)達(dá)到目的。由于目前CCD生產(chǎn)線的利用率不高，每提升100萬(wàn)像素就需要對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行相關(guān)的

41、改造，所以增加像素必定牽涉到制造成本，每提高一個(gè)等級(jí)，DC的價(jià)格都要高出一截，況且提升到一定程度后，由于制造工藝的限制，短時(shí)間內(nèi)很難再有所突破。目前業(yè)內(nèi)還沒(méi)有提出新的CCD尺寸規(guī)格，如果傳感器尺寸仍然維持在2/3英寸的話，那么單位電極的間隙就被限制在0.4微米以內(nèi)，進(jìn)而導(dǎo)致量產(chǎn)中損品的產(chǎn)出率與制造成本的大幅度攀升。而CMOS采用的是標(biāo)準(zhǔn)工藝制程，可利用現(xiàn)有的半導(dǎo)體制造流水線，無(wú)需額外投資生產(chǎn)設(shè)備，并且其芯片本身的品質(zhì)也隨半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步而提高。同時(shí)像素越高CMOS制造工藝的優(yōu)勢(shì)就越明顯，即便是0.18微米的制造工藝都可以輕松獲得1600萬(wàn)像素的CMOS傳感器。就當(dāng)CCD久久徘徊在800萬(wàn)像素的

42、時(shí)候，另一邊的CMOS卻早已超越了千萬(wàn)像素級(jí)，正是因?yàn)楫?dāng)時(shí)這一特殊情況，很容易讓消費(fèi)者產(chǎn)生CMOS制造成本比CCD便宜的誤區(qū)，事實(shí)上除了對(duì)生產(chǎn)線改造費(fèi)用的節(jié)省，以及用來(lái)制造的材質(zhì)稍微廉價(jià)之外，相同像素級(jí)的兩者比較起來(lái)，CMOS本身的綜合成本并不比CCD低廉，鑒于其本身信噪比不高、靈敏度不佳的特性，要想獲得較高的成像品質(zhì)就必須在周邊硬件回路的設(shè)計(jì)上下足功夫，因此其綜合成本較CCD來(lái)說(shuō)有過(guò)之而無(wú)不及。遙想當(dāng)初，下決心開(kāi)發(fā)CMOS只是佳能公司為了不受制于索尼CCD供給關(guān)系的一計(jì)高招，而現(xiàn)在索尼卻成功地為我們演繹了CMOS被DC所用的童話。DSC-R1帶給我們的決不是千萬(wàn)像素出現(xiàn)的震撼，包括更高的分辨

43、率、更少的噪點(diǎn)雜訊、更高的信噪比，接近1.6倍的焦距轉(zhuǎn)換系數(shù)，使得鏡頭焦距段范圍利用價(jià)值更高，以及更容易獲得出色的景深效果，諸如此類的之前消費(fèi)級(jí)產(chǎn)品所不能解決的問(wèn)題都被迎刃化解，足見(jiàn)APS-C畫幅的CMOS傳感器將今后的DC產(chǎn)品帶到了一個(gè)成像質(zhì)量有本質(zhì)改變的高度。Part 2：CMOS的致勝法寶一、物理結(jié)構(gòu)透透看最初的CMOS傳感器以“被動(dòng)式像素結(jié)構(gòu)”（Passive-Pixel Structure）技術(shù)為主，該技術(shù)造成了核心內(nèi)部晶體管數(shù)量的增多，與如日中天的CCD比起來(lái)，執(zhí)行效率低下、信噪比差、暗電流（Dark Current）大、光敏性能低等諸多弊端。后來(lái)業(yè)內(nèi)普遍采用的是一種叫做“主動(dòng)式像

44、素感應(yīng)”（Active-Pixel Sensor）的新技術(shù)，該技術(shù)擁有極高的系統(tǒng)整合特性，如圖3所示可將傳感器所需的周邊回路集成在晶圓體中，一改以往成像品質(zhì)惡劣的頹勢(shì)，直到現(xiàn)在這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)成為了佳能、索尼用于生產(chǎn)CMOS傳感器的主流技術(shù)。圖4下面就讓我們先從物理結(jié)構(gòu)來(lái)了解CMOS傳感器吧，如圖4所示為CMOS感光核心的局部放大圖示，從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)CMOS在內(nèi)部層次結(jié)構(gòu)方面與CCD相比并無(wú)太明顯的差異，一對(duì)對(duì)PMOS和NMOS晶體管在底層的硅基板表面連接構(gòu)成了一個(gè)個(gè)感光電極，只不過(guò)“信號(hào)轉(zhuǎn)換層”中每個(gè)感光電極旁都設(shè)計(jì)了一個(gè)信號(hào)放大器。隨著近兩年來(lái)全畫幅CMOS和千萬(wàn)像素級(jí)CMOS的大量涌現(xiàn)，出現(xiàn)了

45、一種被稱之為“Fill Factor”的制造工藝，中文譯名為填充因子CMOS傳感器，如圖5所示，F(xiàn)ill Factor CMOS與傳統(tǒng)CMOS最大的區(qū)別就在于頂部的微透鏡結(jié)構(gòu)，由于CMOS本身尺寸較大，因此其內(nèi)部的單位感光電極的體積也較CCD更大，將傳統(tǒng)的輔助聚光用途的微透鏡結(jié)構(gòu)改為平面鏡覆蓋在電極頂部，使得Fill Factor CMOS對(duì)光線的攝取不受任何外界因素的干擾，這對(duì)成像素質(zhì)的提升絕對(duì)是利大于弊。圖5二、信號(hào)傳輸方式CMOS的物理結(jié)構(gòu)決定了其感光核心內(nèi)共存著帶負(fù)電荷的N晶體管和帶正電荷的P晶體管，這兩個(gè)晶體管互補(bǔ)效應(yīng)所產(chǎn)生的電信號(hào)（電流或者電壓）就被CMOS輸送至外部的A/D（模/

46、數(shù)）轉(zhuǎn)換器中，再被影像處理器解讀成影像。如圖6的信號(hào)傳輸示意圖所示，具體工作時(shí)先將光信號(hào)在電極內(nèi)部轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后，輸送至水平轉(zhuǎn)換寄存器內(nèi)暫存，再?gòu)募拇嫫髯x取至電極旁的信號(hào)放大器，最后輸出暫存入垂直轉(zhuǎn)換寄存器，接著輸出至CMOS感光核心外。圖6咋一看似乎與CCD的工作方式大同小異，實(shí)則大不相同。如圖7所示，CCD在感光后將每行中每一個(gè)電極的電信號(hào)順次輸送至底部的傳輸層，再由底部順次輸出至放大器進(jìn)行信號(hào)放大，而CMOS在設(shè)計(jì)中每個(gè)感光電極都配備了一個(gè)單獨(dú)的信號(hào)放大器，故CMOS傳感器可以在每個(gè)像素的基礎(chǔ)上進(jìn)行信號(hào)放大，采用這種方式可進(jìn)行快速的數(shù)據(jù)掃描與傳輸，能夠達(dá)到勝任千萬(wàn)像素級(jí)別的信息處理效率。

47、同時(shí)CCD的傳輸方式為被動(dòng)式，時(shí)鐘發(fā)生器必須不停發(fā)送脈沖信號(hào)給每個(gè)電極才能將電信號(hào)輸出至放大器，而CMOS的驅(qū)動(dòng)方式為主動(dòng)式，電極下蓄積的電信號(hào)會(huì)由旁邊的信號(hào)放大器主動(dòng)放大輸出，故相對(duì)來(lái)說(shuō)更加省電，單憑這兩點(diǎn)CCD便望塵莫及。數(shù)據(jù)的處理速率提高了也隨之帶來(lái)了其他的負(fù)面影響，比如每個(gè)電極旁都有一個(gè)信號(hào)放大器，可想而知相互間光電信號(hào)干擾急劇增加，進(jìn)而導(dǎo)致了成像中愈發(fā)容易受到噪點(diǎn)的影響，尤其是在處理大數(shù)據(jù)流的時(shí)候，CMOS內(nèi)電流變化過(guò)于頻繁更加容易產(chǎn)生熱點(diǎn)。圖7三、高素質(zhì)CMOS的成像秘訣由于CMOS的色彩還原原理與CCD基本類似，同樣是通過(guò)彩色濾鏡實(shí)現(xiàn)的，所以這里筆者就不再花時(shí)間贅述了，上文也提到了CMOS的種種劣勢(shì)，現(xiàn)在就讓我們來(lái)討論廠商都通過(guò)了哪些行之有效的方法來(lái)?yè)P(yáng)長(zhǎng)避短，考慮到佳能公司是對(duì)CMOS技術(shù)造詣最深的廠商，故下面的內(nèi)容就以佳能CMOS來(lái)作講解，必定又要涉及到DSLR產(chǎn)品所使用的CMOS了。圖8佳能認(rèn)為成像質(zhì)量不僅取決于影像傳感器中的總像素?cái)?shù)，也與傳感器的尺寸有著至關(guān)重要的關(guān)系。佳能這里所指的成像質(zhì)量主要考慮的還是最終成像的動(dòng)態(tài)范圍（Dynamic Range），以及更高的信噪比，所謂信噪比就是有效信號(hào)（Signal）與無(wú)用的雜訊（Noise）之間的個(gè)數(shù)比例，這些正是驅(qū)使佳能馬不停蹄開(kāi)發(fā)出更大尺寸CMOS的根本原因。如圖8所示，佳能將CMOS的感光