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揭秘數碼相機的芯
感光元件
??? 面對數碼相機多達幾十種的品牌、上千款型號的產品，以及不計其數的經銷商，消費者該如何選擇適合自己的數碼相機產品呢？今天我們結合前面的數碼相機橫向評測以及前沿技術的內容，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碼相機產品。
????在數碼相機中有3個核心部件直接影響畫質，它們分別是鏡頭、感光元件和圖像處理系統。提到數碼相機的感光元件我們首先要了解CCD和CMOS這兩個名詞，它們是數碼相機用來感光成像的部件，相當于光學傳統相機中的膠卷。感光器件的面積越大，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鍵因素
????感光元件的尺寸影響成像效果的關鍵因素
????感光元件的尺寸是影響感光元件成像效果的一個關鍵因素。傳統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，比消費級數碼相機要大很多，而佳能EOS1Ds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，當然成像質量也相對較好。
????現在市面上的消費級數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，維持現有的圖像質量，就必須在至少維持單個像素面積不減小的基礎上增大CCD/CMOS的總面積。
????不同傳感器的特性差異
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????不同傳感器的特性差異
????CCD(電荷耦合元件，Charge-coupledDevice)是一種半導體器件，能夠把光學影像轉化為數字信號，它具有的優點很多，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的數碼單反相機，圖像飽和度較高，圖像較為銳利，質感更加真實，尤其是在低感光度下，成像有良好的表現。但是，從目前數碼單反相機的表現來看，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傳感器的優勢表現在低感光度下，這時候能充分發揮CCD傳感器的優勢，比如色彩鮮艷圖像質感鮮活等等。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，市場上主流的數碼單反相機中，采用CCD傳感器的數碼單反相機包括尼康D40/D40X、D60，D80，D200，索尼a100/200/300/350。
????說到CCD技術就不得不提到富士及其SuperCCD產品，目前最新的SuperCCDEXR技術已被應用于眾多富士數碼相機中。EXR技術可以達到超高分辨率、超寬動態范圍、高感光度和低噪點的效果。
????SuperCCD是由富士公司獨家推出的，它并沒有采用常規正方形二極管，而是使用了一種八邊形的二極管，像素以蜂窩狀形式排列，并且單位像素的面積要比傳統的CCD大。將像素旋轉45度排列的結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、信噪比和動態范圍都有所提高。富士公司宣稱，SuperCCD可以實現相當于ISO800的高感度，信噪比比以往增加30%左右，色彩表現也大幅改善，電量消耗減少了許多。而SuperCCDEXR技術就是在原有的SuperCCD技術基礎上，將斜向45度兩個相鄰的像素點設計成相同顏色，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感光能力的提高，從而達到更高的感光度。更重要的是，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結構CCD在高感光度時容易出現的雜色現象，大幅提高EXR在高感光下拍攝照片的畫質。提高畫面動態范圍是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范圍的照片。
????使用SuperCCDEXR技術的機型有富士FINEPIXF75EXR、F85EXR、F200EXR以及S205EXR等。
????SuperCCDEXR技術
????CMOS的特性在某些程度上跟CCD完全相反。CMOS傳感器在低感光度下的成像也非常干凈，但是，采用CMOS傳感器的數碼單反相機成像看上去偏灰(在不調整的情況下)，色彩飽和度較低，質感和銳度的表現也要稍遜一籌。目前大多數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反而好過CCD傳感器。佳能的全系列數碼單反相機均采用CMOS傳感器，這也是佳能的數碼單反相機在高感光度下表現較好的一個原因。而尼康D300、D700、D3系列，索尼α700、賓得K20D、三星GX-20等采用CMOS傳感器的數碼單反相機在高感光度下也有較好的表現。CMOS的另一個優點是數據讀取速度快，因此那些連拍速度較快的數碼單反相機都采用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，如索尼研發的背照式CMOS—ExmorRCMOS和適馬FoveonX3。
????背照式CMOS
????背照式CMOS
????ExmorRCMOS背面照明技術感光元件，改善了傳統CMOS感光元件的感光度。ExmorRCMOS采用了與傳統CMOS的設計順序正好相反，向沒有布線層的一面照射光線的背面照射技術。由于不受金屬線路和晶體管的防礙，開口率(光電轉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1.75μm間隔的表面照射產品相比，背面照射產品在靈敏度(S/N)上具有很大優勢。在信噪比方面，背照式CMOS影像傳感器實現了高畫質，在實現了低噪點的同時，提高了接近2倍的靈敏度，因此新開發的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，ExmorRCMOS傳感器自身的噪點也很低，即使是在全黑環境下，該傳感器的抑噪水平也比傳統表面照射型更好，其噪點比過去的產品要低2dB。從技術角度上看，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品包括索尼DSC-TX1、理光CX3以及富士FINEPIXHS11等。
????FoveonX3
????FoveonX3
????說到CMOS技術不得不提到的是適馬特殊的FoveonX3技術，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FoveonX3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，FoveonX3的感光能力更強。傳統的光電耦合器件只能感應光線強度，不能感應色彩信息，需要通過濾色鏡來感應色彩信息，我們稱之為Bayer濾鏡。而FoveonX3在1個像素上通過不同的色彩感應層，最表面一層感應藍色、第二層感應綠色，第三層感應紅色。它是根據硅對不同波長光線的吸收效應來分辨色彩，從而來實現一個像素感應全部色彩信息的目的。FoveonX3這項革新技術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。
????LiveMos
????在可更換鏡頭已經成為趨勢的今天，松下和奧林巴斯的LiveMOS也有著一定的影響了。LiveMOS感光器件在畫面質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，從而保證了優秀的靈敏度和大入射角的畫面質量。在分辨率方面，LiveMos具有優秀的低照度性能特性；采用了低躁聲技術，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積更大，提高了靈敏度和提高響應速度；功耗大約是FFT-CCD的一半；簡單的電路結構提高了整體的處理速度。現在的LiveMOS感光器件主要在奧林巴斯和松下的全部可更換鏡頭數碼相機中使用。
????選購：傳感器壞點檢測
????通過以上傳感器種類和品牌的介紹，大家已經可以明白，在現今的數碼相機市場中，從傳感器角度上來說，CCD和CMOS的成像已經沒有明顯的差距了，雖然在不同產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。
????作為數碼相機3大核心元件之一的感光傳感器，它的質量會直接影響畫質，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碼相機是否有壞點問題。CCD壞點不是噪點，它是指數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碼相機的壞點？直接用肉眼在數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現壞點，這里我們就要用到專門測試數碼相機壞點的軟件DeadPixelTest了。
????為了避免噪點的干擾，可以把數碼相機的ISO調整到最低，光圈設置為最大光圈，關閉閃光燈、日期顯示、防抖、防紅眼燈等影像畫質增強的功能，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。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，剛剛開機就進行拍攝，往往不易發現。
????在電腦中運行軟件DeadPixelTest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置，將“噪點界限數值”設定為“60”流明；“壞點界限數值”設定為“250”流明。設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“統計結果”右邊便會出現壞點和噪點的測試數目。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，我們來總結一下，購買時如何來選擇合適的感光元件。
????1.在主流數碼相機中，從成像質量、性能表現到功耗，CCD和CMOS成像已經沒有了其中哪種一定好的現象，因此在購買時不需考慮在這個環節的選擇。
????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，暗部細節表現就越豐富，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”現象。由于感光元件的尺寸大小不同，對鏡頭的焦段造成了很大影響，產生了一系列的折算系數。例如，佳能全畫幅和尼康FX全畫幅的折算系數都是1；佳能APS-H的折算系數為1.3，佳能APS-C的折算系數為1.6；尼康DX幅面的折算系數為1.5；索尼折算系數為1.5；賓得折算系數為1.53；奧林巴斯和松下的折算系數為2。該系數在廣角端有弊無利，無形中減小了廣角的范圍，但是在長焦端增加焦段，如尼康70mm~200mm的鏡頭安裝在FX全畫幅單反相機中，焦段保持不變，但是裝配在系數為1.5的DX幅面單反相機中，其焦段直接變成了140mm~300mm。
工商網監
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