數(shù)碼相機感光元件

1、數(shù)碼相機感光元件選購攻略：看懂相機的芯2010年04月19日 05:06  CHIP新電腦感光元件面對數(shù)碼相機多達幾十種的品牌、上千款型號的產(chǎn)品，以及不計其數(shù)的經(jīng)銷商，消費者該如何選擇適合自己的數(shù)碼相機產(chǎn)品呢？今天我們結(jié)合前面的數(shù)碼相機橫向評測以及前沿技術(shù)的內(nèi)容，從影像核心感光元件(CCD和CMOS)的角度幫助大家選擇適合自己的數(shù)碼相機產(chǎn)品。在數(shù)碼相機中有3個核心部件直接影響畫質(zhì)，它們分別是鏡頭、感光元件和圖像處理系統(tǒng)。提到數(shù)碼相機的感光元件我們首先要了解CCD和CMOS這兩個名詞，它們是數(shù)碼相機用來感光成像的部件，相當于光學傳統(tǒng)相機中的膠卷。感光器件的面積越大，

2、也教師CCD/CMOS面積越大，相同時間段中捕獲的光線就越多，感光性能就越好，信噪比越高。感光元件的尺寸影響成像效果的關(guān)鍵因素感光元件的尺寸影響成像效果的關(guān)鍵因素感光元件的尺寸是影響感光元件成像效果的一個關(guān)鍵因素。傳統(tǒng)的照相機膠卷尺寸為35mm，35mm為膠卷的寬度(包括齒孔部分)，35mm膠卷的感光面積為36mmx24mm(長x寬)。換算到數(shù)碼相機，感光面積的對角長度越接近35mm，CCD/CMOS尺寸就越大。在單反數(shù)碼相機中，很多都是擁有接近35mm對角線長度的CCD/CMOS，例如尼康的DX幅面，傳感器尺寸面積達到23.6mmx15.8mm，比消費級數(shù)碼相機要大很多，而佳能EOS 1Ds

3、系列和尼康FX系列的傳感器尺寸為36mmx24mm，達到了35mm膠卷的成像面積，稱之為全畫幅相機，當然成像質(zhì)量也相對較好。現(xiàn)在市面上的消費級數(shù)碼相機的感光元件主要有2/3英寸、1/1.8英寸、1/2.7英寸、1/2.3英寸等幾種。傳感器尺寸越大，感光面積越大，成像效果越好。比如1/1.8英寸的300萬像素相機效果通常好于1/2.7英寸的400萬像素相機。而相同尺寸的CCD/CMOS像素增加固然是件好事，但這也會導致單個像素的感光面積縮小，有曝光不足的可能。但如果在增加CCD/CMOS像素量的同時，維持現(xiàn)有的圖像質(zhì)量，就必須在至少維持單個像素面積不減小的基礎(chǔ)上增大CCD/CMOS的總面積。不同

4、傳感器的特性差異不同傳感器的特性差異CCD(電荷耦合元件，Charge-coupled Device)是一種半導體器件，能夠把光學影像轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，它具有的優(yōu)點很多，其中包括靈敏度高、抗強光、畸變小、體積小、壽命長、抗震動等。下面簡單說說CCD感光元件的基本特征。采用CCD的數(shù)碼單反相機，圖像飽和度較高，圖像較為銳利，質(zhì)感更加真實，尤其是在低感光度下，成像有良好的表現(xiàn)。但是，從目前數(shù)碼單反相機的表現(xiàn)來看，CCD的噪點隨著感光度的升高而增加較快，高感光度下的噪點控制并不是CCD傳感器的強項。也就是說CCD傳感器的優(yōu)勢表現(xiàn)在低感光度下，這時候能充分發(fā)揮CCD傳感器的優(yōu)勢，比如色彩鮮艷圖像質(zhì)感鮮活

5、等等。CCD的另一個特點是，它的表面更容易形成靜電場，所以更容易吸附灰塵。所以，對于采用CCD傳感器的數(shù)碼單反相機來說，防塵措施必不可少，甚至要定期進行清理。目前，市場上主流的數(shù)碼單反相機中，采用CCD傳感器的數(shù)碼單反相機包括尼康D40/D40X、D60，D80，D200，索尼a100/200/300/350。說到CCD技術(shù)就不得不提到富士及其Super CCD產(chǎn)品，目前最新的Super CCD EXR技術(shù)已被應(yīng)用于眾多富士數(shù)碼相機中。EXR技術(shù)可以達到超高分辨率、超寬動態(tài)范圍、高感光度和低噪點的效果。Super CCD是由富士公司獨家推出的，它并沒有采用常規(guī)正方形二極管，而是使用了一種八邊形

6、的二極管，像素以蜂窩狀形式排列，并且單位像素的面積要比傳統(tǒng)的CCD大。將像素旋轉(zhuǎn)45度排列的結(jié)果能提高單像素的受光面積，也就是感光的效率比較高，效率增加之后會使感光性、信噪比和動態(tài)范圍都有所提高。富士公司宣稱，Super CCD可以實現(xiàn)相當于ISO 800的高感度，信噪比比以往增加30%左右，色彩表現(xiàn)也大幅改善，電量消耗減少了許多。而Super CCD EXR技術(shù)就是在原有的Super CCD技術(shù)基礎(chǔ)上，將斜向45度兩個相鄰的像素點設(shè)計成相同顏色，既減少了鄰近像素色彩之間的干擾，也給采用像素合并提高感光度提供了可能。EXR可以通過合并鄰近像素實現(xiàn)感光能力的提高，從而達到更高的感光度。更重要的是

7、，由于斜向鄰近像素采用相同顏色，這樣在像素合并的時候就可以從根本上避免傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)CCD在高感光度時容易出現(xiàn)的雜色現(xiàn)象，大幅提高EXR在高感光下拍攝照片的畫質(zhì)。提高畫面動態(tài)范圍是EXR的又一特色，EXR采用了兩組通道同時捕捉入射光線，兩組通道的感光單元面積完全相同，并分別對亮部和暗部計算曝光，最后通過類似Photoshop的圖層合并概念將兩個通道取得的圖像完美合并，得到一張擁有較寬動態(tài)范圍的照片。使用Super CCD EXR技術(shù)的機型有富士FINEPIX F75 EXR、F85 EXR、F200 EXR以及S205 EXR等。Super CCD EXR技術(shù)CMOS的特性在某些程度上跟CCD完全相

8、反。CMOS傳感器在低感光度下的成像也非常干凈，但是，采用CMOS傳感器的數(shù)碼單反相機成像看上去偏灰(在不調(diào)整的情況下)，色彩飽和度較低，質(zhì)感和銳度的表現(xiàn)也要稍遜一籌。目前大多數(shù)CMOS具備硬件降噪機制，因此噪點隨著感光度的升高增加較慢。同時，在高感光度下，CMOS傳感器噪點控制表現(xiàn)反而好過CCD傳感器。佳能的全系列數(shù)碼單反相機均采用CMOS傳感器，這也是佳能的數(shù)碼單反相機在高感光度下表現(xiàn)較好的一個原因。而尼康D300、D700、D3系列，索尼700、賓得K20D、三星GX-20等采用CMOS傳感器的數(shù)碼單反相機在高感光度下也有較好的表現(xiàn)。CMOS的另一個優(yōu)點是數(shù)據(jù)讀取速度快，因此那些連拍速度

9、較快的數(shù)碼單反相機都采用CMOS傳感器。另外，CMOS相對CCD的功耗較低，除了省電以外，也相對不容易吸附灰塵。市場上采用CMOS的廠商有很多，如索尼研發(fā)的背照式CMOSExmor R CMOS和適馬Foveon X3。    背照式CMOS背照式CMOSExmor R CMOS背面照明技術(shù)感光元件，改善了傳統(tǒng)CMOS感光元件的感光度。Exmor R CMOS采用了與傳統(tǒng)CMOS的設(shè)計順序正好相反，向沒有布線層的一面照射光線的背面照射技術(shù)。由于不受金屬線路和晶體管的防礙，開口率(光電轉(zhuǎn)換部分在一個像素中所占的面積比例)可提高近100%。與其以往1.75m間隔的表面

10、照射產(chǎn)品相比，背面照射產(chǎn)品在靈敏度(S/N)上具有很大優(yōu)勢。在信噪比方面，背照式CMOS影像傳感器實現(xiàn)了高畫質(zhì)，在實現(xiàn)了低噪點的同時，提高了接近2倍的靈敏度，因此新開發(fā)的CMOS影像傳感器的信噪比提高了+8dB(靈敏度提高+6dB，噪音下降-2dB)。同時，Exmor R CMOS傳感器自身的噪點也很低，即使是在全黑環(huán)境下，該傳感器的抑噪水平也比傳統(tǒng)表面照射型更好，其噪點比過去的產(chǎn)品要低2dB。從技術(shù)角度上看，使用背照式CMOS可以在高感光度條件下很好地抑制噪點。使用背照式的主要產(chǎn)品包括索尼DSC-TX1、理光CX3以及富士FINEPIX HS11等。Foveon X3Foveon X3說到C

11、MOS技術(shù)不得不提到的是適馬特殊的Foveon X3技術(shù)，它是全球第一款通過分層的方式捕捉全部色彩的圖像傳感器陣列。一般采用CCD或者CMOS的數(shù)碼相機是在1個像素上通過在同一平面上并排排列的3個感光模塊記錄RGB3種顏色，而Foveon X3的1個像素上包含3層感光元件，每層只記錄RGB的1個顏色通道，這樣在相同像素面積下，F(xiàn)oveon X3的感光能力更強。傳統(tǒng)的光電耦合器件只能感應(yīng)光線強度，不能感應(yīng)色彩信息，需要通過濾色鏡來感應(yīng)色彩信息，我們稱之為Bayer濾鏡。而Foveon X3在1個像素上通過不同的色彩感應(yīng)層，最表面一層感應(yīng)藍色、第二層感應(yīng)綠色，第三層感應(yīng)紅色。它是根據(jù)硅對不同波長光

12、線的吸收效應(yīng)來分辨色彩，從而來實現(xiàn)一個像素感應(yīng)全部色彩信息的目的。Foveon X3這項革新技術(shù)可以提供更加銳利的圖像和更好的色彩，適用機型包括適馬DP1、DP2以及SD14等機型。Live Mos在可更換鏡頭已經(jīng)成為趨勢的今天，松下和奧林巴斯的Live MOS也有著一定的影響了。Live MOS感光器件在畫面質(zhì)量方面可以媲美全畫幅CCD，功耗上則可媲美CMOS。簡化的電路使得光電二極管到微透鏡的距離縮短，從而保證了優(yōu)秀的靈敏度和大入射角的畫面質(zhì)量。在分辨率方面，Live Mos具有優(yōu)秀的低照度性能特性；采用了低躁聲技術(shù)，降低顆粒性；簡化了寄存器和其他電路，使得FFT-CCD感光二極管的感光面

13、積更大，提高了靈敏度和提高響應(yīng)速度；功耗大約是FFT-CCD的一半；簡單的電路結(jié)構(gòu)提高了整體的處理速度。現(xiàn)在的Live MOS感光器件主要在奧林巴斯和松下的全部可更換鏡頭數(shù)碼相機中使用。選購：傳感器壞點檢測通過以上傳感器種類和品牌的介紹，大家已經(jīng)可以明白，在現(xiàn)今的數(shù)碼相機市場中，從傳感器角度上來說，CCD和CMOS的成像已經(jīng)沒有明顯的差距了，雖然在不同產(chǎn)品中所使用的傳感器還有不同，但選擇不同傳感器的主要原因是廠商出于成本方面的考慮。作為數(shù)碼相機3大核心元件之一的感光傳感器，它的質(zhì)量會直接影響畫質(zhì)，對于傳感器的壞點問題我們不得不說明，大家可以按照下述方法檢查一下自己的數(shù)碼相機是否有壞點問題。CC

14、D壞點不是噪點，它是指數(shù)碼相機的成像元件中某個感光單元損壞，造成該點無法正常成像或者感光，從而導致每張照片的同一固定位置出現(xiàn)全白、全黑或某種顏色的斑點。但是一般我們很難檢測CCD或者CMOS。那么如何才能檢查數(shù)碼相機的壞點？直接用肉眼在數(shù)碼相機小小的液晶顯示屏上看是很難分辨出壞點的，即使將照片輸入電腦通過肉眼往往也不容易發(fā)現(xiàn)壞點，這里我們就要用到專門測試數(shù)碼相機壞點的軟件Dead Pixel Test了。為了避免噪點的干擾，可以把數(shù)碼相機的ISO調(diào)整到最低，光圈設(shè)置為最大光圈，關(guān)閉閃光燈、日期顯示、防抖、防紅眼燈等影像畫質(zhì)增強的功能，拍攝下全黑或者全白的影像。可以變換快門時間多拍攝幾張進行比對

15、。在拍攝時還要注意的是，最好是開機一段時間以后進行拍攝，因為有的壞點是在長時間使用后才會出現(xiàn)，剛剛開機就進行拍攝，往往不易發(fā)現(xiàn)。在電腦中運行軟件Dead Pixel Test中文版(在本期光盤中可以找到)，在測試前我們要對壞點和噪點的檢查范圍進行設(shè)置，將“噪點界限數(shù)值”設(shè)定為“60”流明；“壞點界限數(shù)值”設(shè)定為“250”流明。設(shè)置完畢后將之前采集的圖片導入，測試軟件程序會自動進行測試。在“統(tǒng)計結(jié)果”右邊便會出現(xiàn)壞點和噪點的測試數(shù)目。噪點不是問題，但是壞點是傳感器的硬傷，大家也可以借此軟件，測試一下各個ISO值下，相機的噪點狀況。介紹過幾款感光元件，我們來總結(jié)一下，購買時如何來選擇合適的感光元件。1.在主流數(shù)碼相機中，從成像質(zhì)量、性能表現(xiàn)到功耗，CCD和CMOS成像已經(jīng)沒有了其中哪種一定好的現(xiàn)象，因此在購買時不需考慮在這個環(huán)節(jié)的選擇。2.在像素相同條件下，感光元件CCD/CMOS面積越大越好。因為感光元件面積越大，感光性能越好，信噪比越高，暗部細節(jié)表現(xiàn)就越豐富，畫面層次就越清晰，照片的立體感就越強。3.小尺寸的感光元件在性能上也有可取之處 ，即“偷焦段”現(xiàn)象。由于感光元件的尺寸大小不同，對鏡頭的