Part 1：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。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)?#8220;1/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，16÷1.8≈8.89mm，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。

　　現(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)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、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號(hào)的轉(zhuǎn)換與傳輸過(guò)程。

　　現(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。

 

前言 　　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(xiě)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，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(huà)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(huà)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，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！

Part 2：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，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2592×1944的照片，這表示照片中有2592×1944個(gè)像素點(diǎn)，若我們將照片的分辨率設(shè)定在1600×1200，這時(shí)千萬(wàn)不要誤認(rèn)為這么多像素中只有1600×1200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?，F(xiàn)在我們可以想象出經(jīng)過(guò)色彩過(guò)濾后的“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。可惜的是每單位像素點(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(huà)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)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)CCD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)用專用的寫(xiě)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。