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揭秘數(shù)碼相機(jī)的芯
感光元件
??? 面對(duì)數(shù)碼相機(jī)多達(dá)幾十種的品牌、上千款型號(hào)的產(chǎn)品，以及不計(jì)其數(shù)的經(jīng)銷(xiāo)商，消費(fèi)者該如何選擇適合自己的數(shù)碼相機(jī)產(chǎn)品呢？今天我們結(jié)合前面的數(shù)碼相機(jī)橫向評(píng)測(cè)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(jī)產(chǎn)品。
????在數(shù)碼相機(jī)中有3個(gè)核心部件直接影響畫(huà)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(jī)的感光元件我們首先要了解CCD和CMOS這兩個(gè)名詞，它們是數(shù)碼相機(jī)用來(lái)感光成像的部件，相當(dāng)于光學(xué)傳統(tǒng)相機(jī)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(shí)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(gè)關(guān)鍵因素。傳統(tǒng)的照相機(jī)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(zhǎng)x寬)。換算到數(shù)碼相機(jī)，感光面積的對(duì)角長(zhǎng)度越接近35mm，CCD/CMOS尺寸就越大。在單反數(shù)碼相機(jī)中，很多都是擁有接近35mm對(duì)角線長(zhǎng)度的CCD/CMOS，例如尼康的DX幅面，傳感器尺寸面積達(dá)到23.6mmx15.8mm，比消費(fèi)級(jí)數(shù)碼相機(jī)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(dá)到了35mm膠卷的成像面積，稱之為全畫(huà)幅相機(jī)，當(dāng)然成像質(zhì)量也相對(duì)較好。
????現(xiàn)在市面上的消費(fèi)級(jí)數(shù)碼相機(jī)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(wàn)像素相機(jī)效果通常好于1/2.7英寸的400萬(wàn)像素相機(jī)。而相同尺寸的CCD/CMOS像素增加固然是件好事，但這也會(huì)導(dǎo)致單個(gè)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(shí)，維持現(xiàn)有的圖像質(zhì)量，就必須在至少維持單個(gè)像素面積不減小的基礎(chǔ)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(dǎo)體器件，能夠把光學(xué)影像轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，它具有的優(yōu)點(diǎn)很多，其中包括靈敏度高、抗強(qiáng)光、畸變小、體積小、壽命長(zhǎng)、抗震動(dòng)等。下面簡(jiǎn)單說(shuō)說(shuō)CCD感光元件的基本特征。
????采用CCD的數(shù)碼單反相機(jī)，圖像飽和度較高，圖像較為銳利，質(zhì)感更加真實(shí)，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(jī)的表現(xiàn)來(lái)看，CCD的噪點(diǎn)隨著感光度的升高而增加較快，高感光度下的噪點(diǎn)控制并不是CCD傳感器的強(qiáng)項(xiàng)。也就是說(shuō)CCD傳感器的優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)在低感光度下，這時(shí)候能充分發(fā)揮CCD傳感器的優(yōu)勢(shì)，比如色彩鮮艷圖像質(zhì)感鮮活等等。CCD的另一個(gè)特點(diǎn)是，它的表面更容易形成靜電場(chǎng)，所以更容易吸附灰塵。所以，對(duì)于采用CCD傳感器的數(shù)碼單反相機(jī)來(lái)說(shuō)，防塵措施必不可少，甚至要定期進(jìn)行清理。目前，市場(chǎng)上主流的數(shù)碼單反相機(jī)中，采用CCD傳感器的數(shù)碼單反相機(jī)包括尼康D40/D40X、D60，D80，D200，索尼a100/200/300/350。
????說(shuō)到CCD技術(shù)就不得不提到富士及其SuperCCD產(chǎn)品，目前最新的SuperCCDEXR技術(shù)已被應(yīng)用于眾多富士數(shù)碼相機(jī)中。EXR技術(shù)可以達(dá)到超高分辨率、超寬動(dòng)態(tài)范圍、高感光度和低噪點(diǎn)的效果。
????SuperCCD是由富士公司獨(dú)家推出的，它并沒(méi)有采用常規(guī)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(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(huì)使感光性、信噪比和動(dòng)態(tài)范圍都有所提高。富士公司宣稱，SuperCCD可以實(shí)現(xiàn)相當(dāng)于ISO800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SuperCCDEXR技術(shù)就是在原有的SuperCCD技術(shù)基礎(chǔ)上，將斜向45度兩個(gè)相鄰的像素點(diǎn)設(shè)計(jì)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(guò)合并鄰近像素實(shí)現(xiàn)感光能力的提高，從而達(dá)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(shí)候就可以從根本上避免傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)CCD在高感光度時(shí)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(huà)質(zhì)。提高畫(huà)面動(dòng)態(tài)范圍是EXR的又一特色，EXR采用了兩組通道同時(shí)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(duì)亮部和暗部計(jì)算曝光，最后通過(guò)類(lèi)似Photoshop的圖層合并概念將兩個(gè)通道取得的圖像完美合并，得到一張擁有較寬動(dòng)態(tài)范圍的照片。
????使用SuperCCDEXR技術(shù)的機(jī)型有富士FINEPIXF75EXR、F85EXR、F200EXR以及S205EXR等。
????SuperCCDEXR技術(shù)
????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(shù)碼單反相機(jī)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(jī)制，因此噪點(diǎn)隨著感光度的升高增加較慢。同時(shí)，在高感光度下，CMOS傳感器噪點(diǎn)控制表現(xiàn)反而好過(guò)CCD傳感器。佳能的全系列數(shù)碼單反相機(jī)均采用CMOS傳感器，這也是佳能的數(shù)碼單反相機(jī)在高感光度下表現(xiàn)較好的一個(gè)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(shù)碼單反相機(jī)在高感光度下也有較好的表現(xiàn)。CMOS的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)讀取速度快，因此那些連拍速度較快的數(shù)碼單反相機(jī)都采用CMOS傳感器。另外，CMOS相對(duì)CCD的功耗較低，除了省電以外，也相對(duì)不容易吸附灰塵。
????市場(chǎng)上采用CMOS的廠商有很多，如索尼研發(fā)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(shù)感光元件，改善了傳統(tǒng)CMOS感光元件的感光度。ExmorRCMOS采用了與傳統(tǒng)CMOS的設(shè)計(jì)順序正好相反，向沒(méi)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(kāi)口率(光電轉(zhuǎn)換部分在一個(gè)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(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(shì)。在信噪比方面，背照式CMOS影像傳感器實(shí)現(xiàn)了高畫(huà)質(zhì)，在實(shí)現(xiàn)了低噪點(diǎn)的同時(shí)，提高了接近2倍的靈敏度，因此新開(kāi)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(shí)，ExmorRCMOS傳感器自身的噪點(diǎn)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(diǎn)比過(guò)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(diǎn)。使用背照式的主要產(chǎn)品包括索尼DSC-TX1、理光CX3以及富士FINEPIXHS11等。
????FoveonX3
????FoveonX3
????說(shuō)到CMOS技術(shù)不得不提到的是適馬特殊的FoveonX3技術(shù)，它是全球第一款通過(guò)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(jī)是在1個(gè)像素上通過(guò)在同一平面上并排排列的3個(gè)感光模塊記錄RGB3種顏色，而FoveonX3的1個(gè)像素上包含3層感光元件，每層只記錄RGB的1個(gè)顏色通道，這樣在相同像素面積下，F(xiàn)oveonX3的感光能力更強(qiáng)。傳統(tǒng)的光電耦合器件只能感應(yīng)光線強(qiáng)度，不能感應(yīng)色彩信息，需要通過(guò)濾色鏡來(lái)感應(yīng)色彩信息，我們稱之為Bayer濾鏡。而FoveonX3在1個(gè)像素上通過(guò)不同的色彩感應(yīng)層，最表面一層感應(yīng)藍(lán)色、第二層感應(yīng)綠色，第三層感應(yīng)紅色。它是根據(jù)硅對(duì)不同波長(zhǎng)光線的吸收效應(yīng)來(lái)分辨色彩，從而來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)像素感應(yīng)全部色彩信息的目的。FoveonX3這項(xiàng)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(jī)型包括適馬DP1、DP2以及SD14等機(jī)型。
????LiveMos
????在可更換鏡頭已經(jīng)成為趨勢(shì)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(huà)面質(zhì)量方面可以媲美全畫(huà)幅CCD，功耗上則可媲美CMOS。簡(jiǎn)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(huà)面質(zhì)量。在分辨率方面，LiveMos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(jiǎn)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(yīng)速度；功耗大約是FFT-CCD的一半；簡(jiǎn)單的電路結(jié)構(gòu)提高了整體的處理速度。現(xiàn)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(shù)碼相機(jī)中使用。
????選購(gòu)：傳感器壞點(diǎn)檢測(cè)
????通過(guò)以上傳感器種類(lèi)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(jī)市場(chǎng)中，從傳感器角度上來(lái)說(shuō)，CCD和CMOS的成像已經(jīng)沒(méi)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(jī)3大核心元件之一的感光傳感器，它的質(zhì)量會(huì)直接影響畫(huà)質(zhì)，對(duì)于傳感器的壞點(diǎn)問(wèn)題我們不得不說(shuō)明，大家可以按照下述方法檢查一下自己的數(shù)碼相機(jī)是否有壞點(diǎn)問(wèn)題。CCD壞點(diǎn)不是噪點(diǎn)，它是指數(shù)碼相機(jī)的成像元件中某個(gè)感光單元損壞，造成該點(diǎn)無(wú)法正常成像或者感光，從而導(dǎo)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(diǎn)。但是一般我們很難檢測(cè)CCD或者CMOS。那么如何才能檢查數(shù)碼相機(jī)的壞點(diǎn)？直接用肉眼在數(shù)碼相機(jī)小小的液晶顯示屏上看是很難分辨出壞點(diǎn)的，即使將照片輸入電腦通過(guò)肉眼往往也不容易發(fā)現(xiàn)壞點(diǎn)，這里我們就要用到專(zhuān)門(mén)測(cè)試數(shù)碼相機(jī)壞點(diǎn)的軟件DeadPixelTest了。
????為了避免噪點(diǎn)的干擾，可以把數(shù)碼相機(jī)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(huà)質(zhì)增強(qiáng)的功能，拍攝下全黑或者全白的影像?？梢宰儞Q快門(mén)時(shí)間多拍攝幾張進(jìn)行比對(duì)。在拍攝時(shí)還要注意的是，最好是開(kāi)機(jī)一段時(shí)間以后進(jìn)行拍攝，因?yàn)橛械膲狞c(diǎn)是在長(zhǎng)時(shí)間使用后才會(huì)出現(xiàn)，剛剛開(kāi)機(jī)就進(jìn)行拍攝，往往不易發(fā)現(xiàn)。
????在電腦中運(yùn)行軟件DeadPixelTest中文版(在本期光盤(pán)中可以找到)，在測(cè)試前我們要對(duì)壞點(diǎn)和噪點(diǎn)的檢查范圍進(jìn)行設(shè)置，將“噪點(diǎn)界限數(shù)值”設(shè)定為“60”流明；“壞點(diǎn)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(dǎo)入，測(cè)試軟件程序會(huì)自動(dòng)進(jìn)行測(cè)試。在“統(tǒng)計(jì)結(jié)果”右邊便會(huì)出現(xiàn)壞點(diǎn)和噪點(diǎn)的測(cè)試數(shù)目。噪點(diǎn)不是問(wèn)題，但是壞點(diǎn)是傳感器的硬傷，大家也可以借此軟件，測(cè)試一下各個(gè)ISO值下，相機(jī)的噪點(diǎn)狀況。
????介紹過(guò)幾款感光元件，我們來(lái)總結(jié)一下，購(gòu)買(mǎi)時(shí)如何來(lái)選擇合適的感光元件。
????1.在主流數(shù)碼相機(jī)中，從成像質(zhì)量、性能表現(xiàn)到功耗，CCD和CMOS成像已經(jīng)沒(méi)有了其中哪種一定好的現(xiàn)象，因此在購(gòu)買(mǎi)時(shí)不需考慮在這個(gè)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?yàn)楦泄庠娣e越大，感光性能越好，信噪比越高，暗部細(xì)節(jié)表現(xiàn)就越豐富，畫(huà)面層次就越清晰，照片的立體感就越強(qiáng)。
????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(duì)鏡頭的焦段造成了很大影響，產(chǎn)生了一系列的折算系數(shù)。例如，佳能全畫(huà)幅和尼康FX全畫(huà)幅的折算系數(shù)都是1；佳能APS-H的折算系數(shù)為1.3，佳能APS-C的折算系數(shù)為1.6；尼康DX幅面的折算系數(shù)為1.5；索尼折算系數(shù)為1.5；賓得折算系數(shù)為1.53；奧林巴斯和松下的折算系數(shù)為2。該系數(shù)在廣角端有弊無(wú)利，無(wú)形中減小了廣角的范圍，但是在長(zhǎng)焦端增加焦段，如尼康70mm~200mm的鏡頭安裝在FX全畫(huà)幅單反相機(jī)中，焦段保持不變，但是裝配在系數(shù)為1.5的DX幅面單反相機(jī)中，其焦段直接變成了140mm~300mm。
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