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数码相机导购专题——CCD篇
发表日期:2006-08-20作者:[转贴] 出处:  

在数码浪潮扑面而来的今天,各种新技术和新产品越来越多的影响着人们的生活,各种数码电视、数码音乐播放器、掌上电脑、数字移动电话等数码产品已经走进我们的生活,而且形成了一股前所未有的热潮。拥有一件数码产品也已成为一种新时尚。数码相机是1999年才开始起步的热门产品,随着数码摄影技术的不断进步和各种数码摄影影器材的价格不断,市场对数码相机的需求也在不断的增长,数码相机领域也正风起云涌,从柯达一支独秀到柯达和奥林巴斯平分秋色,以致当今的百花齐放。数码相机的发展速度也非常惊人,从当初的几十万像素到目前的几百万像素、目前最高分辨率已经达到600万像素。目前市场上仍然是300万像素数码相机占据主流地位。今年不少数码相机厂商已经开始推出400万像素的数码相机,估计明年的数码相机市场将是400万像素数码相机的天地。

一年多以前还是专业人士或摄影发烧友才拥有的数码相机如今已经成为普通人的掌上玩物,不少人在琳琅满目的技术说明面前并不知道如何去应对。由于数码相机种类品牌繁多,更新速度很快,怎样才能挑选一部适合自己的数码相机更是使不少想涉足数码摄领域的消费者望而却步。其实,决定数码相机性能的因素主要包括CCD或CMOS传感器的分辨率、镜头、存储卡等因素,购买数码相机当然也要从这几个主要因素着眼。值得注意的是不同的用户有不同的用途,挑选的标准是不一样的,专业摄影工作者、摄影爱好者和普通用户显然有很大的区别,这时你就要根据自己的需要来选择了。


在选择一部称心如意的数码相机之前,我们有必要了解一下数码相机的工作原理。数码相机是用一种特殊的半导体材料来记录图片,这类特殊的半导体叫作电荷藕合器,简称CCD。这种电荷藕合器由数千个独立的光敏元件组成,这些光敏元件通常排列成与取景器相对应的矩阵。外界景像所反射的光透过镜头照射在CCD上,并被转换成电荷,每个元件上的电荷量取决于其所受到的光照强度。CCD将各个元件的信息传送到数模转换器上,数模转换器将数据编码后送到缓存中,然后通过DSP(数字信号处理器)读取这些数字编码,并将这些编码中所包含的影像信息存放到存储器中,此时你就可以看到一张完整的数码图片了。从数码相机的工作原理中我们不难看出,镜头和CCD是数码相机成像质量的关键。光学镜头经过多年的发展技术已经相对成熟,相比之下CCD目前是整个系统的瓶颈所在。

种类和原理

1970年是影像业具有里程碑意义的一年,美国贝尔实验室发明了CCD,20年后人们利用这一技术制造了数码相机,将影像业推进到一个全新领域。它的诞生给影像业带来了一场革命。而后有人发现将计算机系统里的一种芯片进行加工也可以作为数码相机中的感光传感器,即CMOS,这种传感器便于大规模生产和成本低廉的特性是商家们梦寐以求的。业内人士分析,CMOS传感器在不久的将来可能取代CCD,而如今两者依然共存,CCD仍是“主流”。

目前主要有线型CCD和矩阵型CCD两类,线型CCD芯片的最大特点是分辨率很高,最高可拍摄的像素数量高达1.3亿。遗憾的是线型CCD数码相机是扫描型的,曝光方式与平台扫描仪相似,曝光时间特别长,无法拍摄动态物体,更不能进行闪光拍摄。因此在很多场合不适用,我们这里不予介绍。采用矩阵型性CCD芯片的数码相机的最大特点是可瞬间曝光,应用灵活性大,国内市场上所见到的轻便数码相机和单反数码相机采用的都是矩阵型CCD芯片。

CCD的主要参数指标是单位面积和电荷感应元件数量,目前市场上主流300万像素产品中采用的多是1/1.8~1/1.5英寸。比如尼康CoolPix 990、奥林巴斯C-3030Z、爱普生CP-900Z、佳能PowerShot S20等都采用1/1.8英寸CCD。CCD技术目前主要掌握在索尼、佳能、奥林巴斯等几大厂商手中。主流的数码相机均采用CCD作为光敏传感器件,像素数一般为3-4百万左右。


 


由于CCD上每一个电荷感应元件最终表现为所拍摄图像的一个像素,因此CCD内部所包含的电荷感应元件集成度越高,像素就越多,最终图象的分辨率自然就会越高。但提升CCD像素数势必涉及到CCD制造成本。每提高一个等级,数码相机的价格都要高出很多,而且提升到一定程度后,由于生产工艺的限制,很难再有突破。另一方面,CCD芯片分辨率是指芯片上所具有的CCD像素数,拍摄分辨率是指拍摄时实际参与成像的CCD像素数。由于数码相机将CCD芯片上的部分CCD像素用于测光、自动聚焦和自动调整白平衡等方面,使拍摄分辨率总是小于CCD芯片分辨率。选购数码相机既要看CCD的分辨率,更要看可最大拍摄分辨率。目前数码相机的CCD像素数最高已经达到500多万,再往上提升有一定的困难,因此不能仅从像素数上看数码相机的性能。


SUPER CCD传感器是由富士公司研发的,这种CCD没有采用常规正方形二极管,采用的是八边形二极管,像素以蜂窝状形式排列,单位像素的面积要比传统CCD大。这样将像素旋转45度排列可以缩小无用的多余空间,光线集中率比较高,随之使感光性、信噪比和动态范围都有所提高,颜色的再现也得以改善,能耗有所降低。Super CCD技术大致可以提高CCD性能30%—40%,也就是说240万像素的Super CCD大致与312—336万像素的传统CCD性能相当,大体处于300万像素数码相机的水平。富士推出的SUPER CCD一度在业界引起广泛关注。

CMOS成像芯片用于数码相机始于1977年,其光电转换功能与CCD相似,区别主要在于光电转换后信息传送的方式不同。CMOS具有信息读取方式简单、输出信息速率快、耗电量小(仅为CCD芯片的1/10左右)、体积小、重量轻、集成度高、价格低等特点。CMOS只需使用一个电源,与CCD图像传感器相比在节能方面具有很大优势。在制作上,由于CCD传感器依赖于专业化加工过程,使其制作过程精细而昂贵。而CMOS传感器的加工采用的是大多数半导体厂家生产集成电路的流程,把CMOS器件集成到一块芯片上的整个成像系统中要容易得多,因此采用CMOS芯片的系统整体成本很低。CMOS还可以完成其它许多功能,如数模转换、负载信号处理、处理白平衡及进行相机控制等等。


业界分析家认为终究有一天,几乎所有初级数码相机都将基于CMOS传感器。虽然CMOS感光芯片与数码相机上广为采用的CCD芯片相比具有成本低,能耗低的优点,但目前的技术尚不十分成熟,早期的芯片普遍都受到噪声的影响,使信号沿线路传向传感器读出时产生歧变,影响图象质量。预计在今后一段时间内新推出的数码相机仍会以采用CCD做感光芯片的数码相机为主。值得高兴的是日本一些公司正想方设法克服这个问题,使CMOS传感器的普及成为可能。

CMOS针对CCD最主要的优势就是非常省电,不象由二极管组成的CCD,CMOS电路几乎没有静态电量消耗,只有在电路接通时才有电量消耗,这样就使CMOS的耗电量只有普通CCD的1/3左右,有助于改善人们心目中数码相机是“电老虎”的不良印象。佳能在这方面具有雄厚的技术力量和丰富的经验,发展至今已经能以较低的成本制造较大大尺寸的CMOS感光芯片了,并且CMOS可以将影像处理电路集成在芯片上。CMOS主要问题是在处理快速变化的影像时,由于电流变化过于频繁而过热,容易出现噪点。大家可以查看互联网上大量由佳能EOS D30所拍摄的照片效果一点也不比传统CCD差。这种能耗低、制造相对容易的感光芯片如果能在影像的锐利度、动态范围等方面再做进一步努力,可能会成为未来数码相机的发展方向。

CCD VS CMOS

上面说到的这些原理可以帮助大家了解数码相机的工作过程和几种图象传感器各自的好处,针对目前市场上的机型,结合数码相机的两种主流图象传感器CCD和CMOS各自的利弊,从技术的角度来比较两者主要存在四个方面的区别:

1、信息读取方式不同:CCD传感器存储的电荷信息需在同步信号控制下一位一位的实施转移后读取,电荷信息转移和读取输出需要有时钟控制电路和三组不同的电源相配合,整个电路较为复杂。CMOS传感器经光电转换后直接产生电流(或电压)信号,信号读取十分简单。

2、速度有所差别:CCD传感器需在同步时钟的控制下以行为单位一位一位的输出信息,速度较慢;而CMOS传感器采集光信号的同时就可以取出电信号,还能同时处理各单元的图象信息,速度比CCD快很多。

3、电源及耗电量:CCD传感器电荷耦合器大多需要三组电源供电,耗电量较大;CMOS传感器只需使用一个电源,耗电量非常小,仅为CCD电荷耦合器的1/8到1/10,CMOS光电传感器在节能方面具有很大优势。

4、成像质量:CCD传感器制作技术起步较早,技术相对成熟,采用PN结合二氧化硅隔离层隔离噪声,成像质量相对CMOS传感器有一定优势。由于CMOS传感器集成度高,光电传感元件与电路之间距离很近,相互之间的光、电、磁干扰较为严重,噪声对图象质量影响很大,使CMOS传感器很长一段时间无法进入实用。近年,随着CMOS电路降噪技术的不断发展,为生产高密度优质的CMOS图象传感器提供了良好条件。

机型介绍


佳能PowerShot G2采用的是400万像素CCD传感器,将图象分辨率提高到新的水平,G2体现了佳能在单反相机与数码相机技术融合方面取得的突破性进展。


奥林巴斯CAMEDIA C-4040Z采用的是1/1.8英寸CCD传感器,总像素数为413万,有效像素数398万,所配备的F1.8 3倍光学变焦镜头可充分发挥CCD的性能。


柯达DX3900采用CCD传感器,具有310万像素的分辨率和6倍变焦功能(2倍光学、3倍数码),它是首部与微软最新操作系统Windows XP兼容的数码相机,并且是支持EasyShare系统的分辨率最高的数码相机。


富士FinePix 50i采用1/1.7英寸240万像素超级CCD,可产生430万像素的影像。富士独有的超级CCD提供了比传统CCD更好的影像质量。


佳能新型300万像素单反数码相机EOS D30配有大尺寸CMOS传感器。佳能首创的CMOS芯片降噪技术、电荷转移技术以及集成电路扩大增益技术使大尺寸CMOS传感器运用到数码相机中成为现实。


索尼专业型Cyber-shot系列数码照相机DSC-F707配备524万像素“超级HAD”CCD传感器,分辨率高达2560x1920像素,采用索尼专利的记忆棒作为存储介质。


康太克斯推出的新款单反数码相机N Digital基于N1胶卷单反相机机身设计、采用的是600万像素(3040x2016)CCD图象传感器,创下了数码相机的分辨率之最。将于明年2月1日上市。


佳能公司公司于10月2日再次强力出击推出的400万像素PowerShot S40和320万像素PowerShot S30数码相机最大的特色功能在于和新款佳能S8200喷墨打印机配合使用,能够直接将拍摄的图象打印成大尺寸的照片。


理光Caplio RR1数码相机配备有400万像素的CCD传感器,保持了理光系列相互美学家原有的设计风格,可以拍摄的图象分辨率高达2272x1704像素。


奥林巴斯推出的单反数码相机Camedia E-20采用500万像素CCD传感器,集全新图象质量水平、多功能、使用方便于一体,是世界上首部采用隔行和逐行双重扫描技术的数码相机,能够满足专业人士和苛刻的业余人士挑剔的要求。


尼康公司一直致力于数码相机的开发,于9月推出的Coolpix 5000数码相机采用的是524万像素CCD传感器、Nikkor 3倍光学变焦镜头、最高快门速度可达1/4000秒,所拍摄的图象极其逼真,能够很好的满足专业人士和业余摄影爱好者的需要。
在即将成为主流的400万数码相机中,还有奥林巴斯去年推出的E-10数码相机、索尼今年推出的DSC-S85数码相机、卡西欧今年推出的QV-4000数码相机、东芝今年推出的PDR-M81数码相机等等。随着人们对数码相机的要求越来越高,市场需求也将发生变化,明年必将有众多数码相机厂商争先角逐400万像素这一领域。笔者看来,明年将是400万像素数码相机的天下,所以你现在考虑购买数码相机最好能考虑400万像素的分辨率,至少不会让你落伍于时代太久么。当然,目前的300万像素数码相机已经足以满足我们的日常使用,我们也不必要和不可能来赶超这一潮流,除非你的腰包特别鼓^_^


 


最后要提醒您的是这篇文章不可能给您一个选购数码相机的完整标准,因为选购一部称心如意的数码相机需要考虑方方面面的诸多问题,CCD传感器仅仅只能作为数码相机的一个核心部件,具体购买一部什么样的数码相机还是要您自己来定夺。

 

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