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)中看到該型號使用了多少英寸多少像素的CCD，比如1/2.7英寸300萬像素、1/1.8英寸500萬像素，這其中“1/X英寸”到底是怎么計算出來的呢？

　　這時有人就參照電視機顯象管的尺寸標(biāo)識，將這個參數(shù)理解成CCD對角線的長度，這是一種不太嚴(yán)謹(jǐn)?shù)恼f法。需要注意的是“1/X英寸”并不是CCD的尺寸單位，而是CCD的長寬比例。這沿襲了上個世紀(jì)五十年代初電視顯象管規(guī)格的4:3標(biāo)準(zhǔn)，故我們不能說是CCD對角線長度的原因就在于此。

　　由于CCD是在晶圓體上通過特殊工藝蝕刻出來的，遵循統(tǒng)一的4:3的長寬比例這一行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，能更有效的控制生產(chǎn)成本。但是當(dāng)我們按這個標(biāo)準(zhǔn)折算 CCD尺寸的時候就會發(fā)現(xiàn)，算出的面積往往比真實面積大出許多，這是因為“1/X英寸”表示的是包括電路部分在內(nèi)的整塊CCD的對角線長度，并非CCD中 感光核心部分的對角線長。

　　事實上我們現(xiàn)在所接觸到的CCD尺寸的說法是參考傳統(tǒng)攝像機內(nèi)的真空攝像管的對角線長短來衡量的，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)計算方法是其實際對角線長度（單位：mm）/16，我們以1/1.8英寸的CCD作例，這個1/1.8英寸就是計算公式中的OF值，16÷1.8≈8.89mm，這就是該CCD感光核心部分對角線的實際長度了，這下大家都心里有數(shù)了吧。

　　現(xiàn)在讓我們來探討一下CCD的物理結(jié)構(gòu)，CCD僅僅是一種在硅基板表面通過絕緣膜使大量獨立的、透明的光電二極管（下文簡稱電極）排列起來的固 態(tài)電子元件（如圖1），若按CCD內(nèi)部的電極排列來分，現(xiàn)在DC中普遍采用的都為矩陣型結(jié)構(gòu)，其特點是色彩表現(xiàn)力更強、光譜范圍更廣和色彩密度更高等諸多 優(yōu)勢。

圖1

　　如傳統(tǒng)菲林膠片一樣，CCD也包含了多個結(jié)構(gòu)層，由上至下分別為感光層、色彩還原層、信號轉(zhuǎn)換層（如圖2）。

圖2

　　目前作為整個光電半導(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，中文譯名為超級空穴堆積CCD。這里我們就結(jié)合出鏡率最高的索尼CCD來對其構(gòu)成作進一步的說明，CCD頂部感光層的專業(yè)術(shù)語叫做“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，增強了微透鏡下面感光電極對入射光線的吸收率，進而提升了電極對光線的敏感度， 如圖4所示，紅色線條表示Super HAD CCD隨光線強度變化的敏感度曲線，藍色則為傳統(tǒng)CCD的敏感度變化曲線。

圖4

二、信號的傳輸方式

　　大家可能都對CCD的成像原理略有所知，但對于其內(nèi)部的信號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。下面就對該技術(shù)進行分析。

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，可見圖中每一個感光電極都對應(yīng)了一個信號垂直傳輸單元，當(dāng)光線透過鏡頭射到CCD表面時，相應(yīng)強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弱，當(dāng)我們按下快門釋放開關(guān)，各單位上的電信號（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的轉(zhuǎn)換與傳輸過程。

　　現(xiàn)在讓我們參照圖5，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行開始：

　　第一步、DC集成電路中的時鐘發(fā)生器（Clock Drivers）發(fā)送驅(qū)動脈沖，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、時鐘發(fā)生器繼續(xù)對垂直傳輸單元發(fā)送驅(qū)動脈沖，使電荷縱向轉(zhuǎn)移至CCD的底部；

　　第三步、重復(fù)上述兩個步驟后，整個C行的電荷被全部輸送到CCD底部的水平傳輸單元；

　　第四步、時鐘發(fā)生器繼續(xù)對水平傳輸單元發(fā)送驅(qū)動脈沖，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，這時便完成了對整個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)完成了光信號到電信號的轉(zhuǎn)換了。

 

前言 　　當(dāng)幾年前有人提出數(shù) 碼相機（下文昵稱DC）在未來必定取代傳統(tǒng)銀鹽相機時，很多人都對這一在當(dāng)時看來頗為荒謬的論調(diào)嗤之以鼻，而現(xiàn)在看來隨著DC銷量的井噴式增長、傳統(tǒng)菲林 銷量的下挫，DC在開創(chuàng)數(shù)字時尚玩物新概念的同時，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)讓更多的消費者了解與DC相關(guān)的一些技 術(shù)原理，以便在選購乃至使用中愈發(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 機是多少萬像素”想必是我們最常聽到的一句話了，時至今日影像傳感器（Image Sensor）的“像素”仍是消費者選購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 某種程度上并未對畫質(zhì)提高起到積極的作用，這無疑與我們的傳統(tǒng)思維大相徑庭。

索尼F828的800萬像素2/3英寸CCD與R1的千萬像素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，富士獨家技術(shù)Super CCD，還有就是前不久才運用到DC產(chǎn)品中的CMOS。從上世紀(jì)七十年代世界上一臺數(shù)碼相機誕生以來，CCD從最初發(fā)展到500萬像素耗費了近三十年時 間；而從500萬跳躍到800萬像素只用了1年多時間，打破了原本每1年提升100萬像素的慣例，之后又因畫質(zhì)原因開倒車推出了700萬像素，接著消費者 等待了約兩年時間，期間出現(xiàn)的900萬像素Super CCD讓我們對千萬像素到來的期待愈發(fā)強烈，不久前索尼終于引領(lǐng)我們跨過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)過上文剖析的信號轉(zhuǎn)換后，此時得到的還是一個灰調(diào)的影像，必須經(jīng)過色彩還原才是我們最終見到的絢麗多彩的 數(shù)碼照片。CCD對環(huán)境色彩的還原過程有一個專業(yè)術(shù)語叫做“白平衡”。由于CCD中的感光電極只能感受光線的強弱，對光的色彩卻完全沒有分辨能力，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的光線通過，從而達到攝取所需顏色的目的。

　　通過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，因此一一對應(yīng)對應(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， 按照過濾的色彩不同而被分為三種。在DC發(fā)展的初級階段，CCD中使用的都是補色（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)彩色電視機和電腦顯示器的色彩特性應(yīng)運而生的，但與人眼的視覺感受略有不同，才會出現(xiàn)顯示的顏色與真實顏色間 有一定微妙的差異，因此4color濾鏡結(jié)構(gòu)在原來的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

　　為了能更清楚地說明色彩還原這個過程，我們姑且先將一個電極加一片濾鏡構(gòu)成的單元當(dāng)作最終照片中的一個像素。例如使用500萬像素的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個像素點，若我們將照片的分辨率設(shè)定在1600×1200，這時千萬不要誤認(rèn)為這么多像素中只有1600×1200個像素點參與成像，而是整個CCD感光面積都感受光線，接下來以原色濾鏡為例具體剖析CCD進行色彩還原秘密的時候就容易理解的多了。

　　參照圖7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、綠、藍、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，通過相互間加權(quán)運算的組合，幾乎能構(gòu)成我們現(xiàn)實生活中的所有色彩。仔細一算這才發(fā)現(xiàn)紅色、藍 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)致了其對綠色光線敏感度不及紅色與藍色光線，因此通常需要2個綠色單元配合1個 紅色單元和1個藍色單元。經(jīng)過如圖9所示的光線濾色后，每個濾鏡對應(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)過色彩過濾后的“數(shù)碼照片”是 個什么樣子了，應(yīng)該是1/4為紅色、1/4為藍色，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， 當(dāng)然啦，色彩還原進行到這一步僅僅是提取了被攝場景中的紅、綠、藍三種元素。

圖9

　　在這里筆者先要說明的是對三原色進行加權(quán)計算就不完全是CCD的工作了，此時影像處理器（Image Engine）也在依照DC內(nèi)置的軟件算法配合CCD對色彩信息進行協(xié)同處理?？上У氖敲繂挝幌袼攸c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 能進行相互間的加權(quán)組合，因此影像處理器就會通過某一像素點周圍其他像素的色彩信息來進行色彩還原。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個藍色像素（B1/B3），2個紅色像素（A2/C2）和4個綠色像素（A1/A3/C1/C3），影像處理器便利用周圍這8個像素點的色彩信息，再結(jié)合B2像素本身的數(shù)據(jù)進行環(huán)境色彩的還原，經(jīng)過色彩疊加后才能最終形成數(shù)碼照片中的一個真實像素。其他像素點的色彩還原同出一轍，可見每一個實際像素的生成都有周圍8個三原色像素點的參與，比如B2本身在被還原的同時也將色彩信息提供給周圍8個像素進行色彩還原，被加權(quán)計算了8次，正因如此數(shù)碼照片才會變得如此靚麗。

圖10

三、補色與原色的差異

　　補色濾鏡技術(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（昵稱DV）仍 在使用該技術(shù)進行色彩還原，這里就順便介紹兩種技術(shù)間的差異。現(xiàn)在我們都知道了原色濾鏡在色彩還原時采用了色彩疊加的加權(quán)計算方式，如圖11的混色關(guān)系圖 所示，補色濾鏡則進行的是減法運算。

圖11

　　由于三原色是進行色彩還原的前提條件，所以原色濾鏡直接就可以對環(huán)境色彩進行真實的還原，而補色濾鏡需要先通過減色法構(gòu)成三原色之后，才能加權(quán) 計算出更多的真實像素。加權(quán)計算的方法和原色濾鏡并無不同，其過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，補色濾鏡還原出的畫質(zhì)整體對比 度偏低、色彩飽和度不足，完全沒有原色濾鏡的艷麗效果（圖12）。

圖12

四、噪點與壞點

　　筆者身邊相當(dāng)多數(shù)量的朋友在選購DC時，都對CCD是否會出現(xiàn)噪點（Noise Pixel）或壞點（Dead Pixel）心存顧慮，他們通常都會使用一些所謂的測試軟件進行檢測，先不討論這類軟件的有效性和測試結(jié)果的真實性，光是這樣的測試方法就已經(jīng)步入了誤區(qū)。

　　所謂壞點就是拍攝后我們看見照片中出現(xiàn)了明顯不亮或是永遠亮著的點，這主要是在CCD的制造過程中產(chǎn)生的，也是不可避免的，就像LCD液晶顯示 器一樣，無論怎樣改良生產(chǎn)技術(shù)，總會生產(chǎn)出一些不良品。無論怎樣最后被用來生產(chǎn)DC的CCD都是已經(jīng)在上游廠商那里經(jīng)過壞點測試的，因此對市場中正在銷售 的DC進行各種各樣的CCD壞點測試相信都不會有任何不好的結(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。而噪點如圖13中框住部分所示，則是因DC影像處理時電流變化頻繁過熱引起的，故噪點也被稱為熱點（Hot Pixel），尤其在拍攝夜景的時候特別容易發(fā)現(xiàn)，比如照片中夜晚的天空出現(xiàn)了白點或紅點。很多用戶都認(rèn)為即使是噪點的話，如果每次總處于同一個位置，那 么這個點還能不能算作是CCD上的壞點呢？參考DC廠商的解釋來說，噪點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)作壞點來對待，但這 也的確是由CCD中某幾個感光電極的光敏性能降低所造成的。

　　那么對于這類位置固定的噪點，廠商內(nèi)部都是如何解決的呢？他們會用專用的寫入軟件將CCD上固定的噪點在DC的Fireware程序中標(biāo)注起 來，當(dāng)然我們也可以通俗的理解為屏蔽這個噪點，那么在色彩還原時該點有沒有色彩信息就已經(jīng)不重要了，而是通過周圍8個像素點的數(shù)據(jù)來加權(quán)計算出該點的真實 像素。噪點只能盡量避免卻不能完全消除，但軟件的屏蔽總歸沒硬件改善來得徹底，只有改善DC內(nèi)部集成電路的設(shè)計，才能盡可能避免噪點的產(chǎn)生，這時我們可愛 的廠商便開發(fā)成功了影像處理器（Image Engine）作為獨立的影像處理單元，無疑大大降低了包括CPU在內(nèi)的其他硬件回路的工作負荷，降低了因發(fā)熱而形成噪點的機率。