CCD技术沙龙
软件世界
CCD像素：数字决定一切？
目前，CCD的生产工艺主要掌握在SONY、Philps、Kodak、Fuji、SANYO和Sharp等厂商手中，日系公司占绝对优势。虽然各家在具体的加工技术上存在差异，但是评价CCD技术级别的行业标准却是公认的，那就是像素。
像素，最简单的表述就是CCD上感光MOS电容的数目。像素数决定了一块CCD上有多少个感光点，也体现了CCD的分辨率。CCD像素越多，就能在感光时把拍摄对象分成更精细的细节，所以分辨率也越高。由于像素与MOS在数目上是对应的，在CCD大小不变的前提下，要提高数字照片的分辨率，就要增加CCD上感光元件数目。在现有技术下，一张35mm底片大小的CCD已经可以达到8000万像素的分辨率水平。我们通常使用的消费级数码相机CCD的像素数在600万以下，高级单反数码相机已经开始应用超过千万像素的CCD，成像效果足以与银盐胶片相比。
数码相机在记录画面时，只能使用到CCD全部像素中的一部分，这一部分像素就被称为有效像素(Effective Pixels)。为什么不能用到全部像素？简单地说是位于CCD边缘的一些像素上覆盖了黑色的涂层，目的是要让数码相机知道“什么是黑色”，换言之代表了当图像为全黑时的基准值。由于这些像素不用来记录图像，因此相机的总像素同有效像素间存在差值。
另一个令人迷惑的概念是像素插值(Pixel Interpolation function)。这一功能是通过软件运算进行的。原理是用CCD上相邻的像素进行运算得到一些新的像素，从而提升分辨率。值得注意的是，运用插值算法模拟出的新像素并不是由CCD感光元件生成，因此照片中实际的图像信息并没有增加。许多品牌数码相机都会对照片进行插值处理，最典型的当数富士公司的superCCD技术，通过插值可以使输出照片的大小翻番。但是这种方式对图像的品质存在一定的损害，所以在选购相机时要分清实际像素和插值像素各是多少。
除了数码相机外，DV摄像机也使用CCD来记录图像。然而，DV所使用的CCD元件像素数却向来是“见低不见高”。如今一部数码相机随随便便就配备数百万像素级别CCD，而DV的CCD像素级别绝大多数仍维持在百十来万的水平。导致两者间差异的原因，主要是DC和DV在输出要求上的不同。摄像机的CCD分辨率，与电视机的分辨率是相匹配的，因为拍出来的影片需要在电视上进行回放。现有电视机屏幕的分辨率在50万像的水平上，其中真正用来显示图像的也仅有30-40万像素，所以DV并非不能够而是不需要搭配高像素的CCD。
随着数字影像技术的发展，DV搭载高分辨率的CCD进行静态数码照片的拍摄逐渐风行。对DV而言，CCD的分辨率有静态和动态两个标准：静态像素指在拍摄照片时的分辨率，动态像素则是拍摄影片时能利用到的像素数。值得注意的是，无论动态像素有多高，当影片在电视上回放或录制到DV磁带上时，其分辨率都限定在32万像素左右。CCD上多出来的像素，主要用于电子防抖动，也就是说单纯提高CCD分辨率对DV影像质量的提高意义不大。如果要增强画质，可以从两方面入手：其一是红、蓝、绿光都用单一的CCD来感光，比如用于高档机上的3CCD技术；其二是扩大CCD的受光面积，这就涉及到CCD的尺寸问题。
CCD尺寸：CCD成像质量的真正秘密
长期以来，CCD技术所为人津津乐道的是像素级别的快速增长，每提高一个百万级就被视为技术上的突破从而带来相机的更新换代。不过，CCD尺寸这一影响成像质量的重大因素却甚少有人提及，甚至连各生产厂商也秘而不宣。
究竟CCD的尺寸大小对成像质量的影响有多大？客观地说，决定一部数码相机成像质量好坏的几大要素：曝光宽容度、信噪比、镜头焦距、入瞳孔径，无不与CCD的尺寸密切相关。
前文已经介绍过，CCD的感光元件MOS好比可以用来储存电荷的桶，这个桶能容纳电荷的极限表明了CCD的动态范围，也就相当于普通胶片的宽容度。CCD尺寸的大小，直接决定了MOS的体积。不难理解，当MOS的体积增大，其容纳电荷的能力就相应增强，可以使CCD的动态范围加大，从而感受到更细微的光线变化，拍出来的片子自然层次丰富。反之，如果MOS的体积过小，储存电荷的能力下降，就很容易出现电荷溢出等现象，导致画面出现噪点。所以，我们常发觉某一款相机的升级版，提高了CCD分辨率，但是CCD的尺寸却保持不变，拍出的照片虽然锐度提高了，但是信噪比下降，细节损失加重，整体的成像质量反而下降了。不少数码玩家甚至由此得出结论：选购数码相机或摄像机时，在CCD大小相同的机型中要优先挑像素水平低的机器。
数码相机CCD的尺寸，通常只有135胶卷大小的十几到几十分之一，由此决定了数码相机的镜头焦距很短。比较短的镜头的焦距，对拍摄有一定的限制作用：首先，根据光圈指数等于镜头焦距与入瞳直径之比的原则，短焦距一方面限制了光圈的变化范围，另一方面也使镜头直径不可能做得太大，捕捉光线的性能因此受到影响。其次，镜头的焦距与CCD对角线长度有对应关系，一般来说，焦距与对角线相等的是标准镜头，大于对角线长度的是远摄镜头，反之则为广角镜头。CCD的小尺寸，令数码相机很容易做出长焦的远摄境，但是要缩短焦距形成广角效果就相对困难。比如松下FZ1以4.6-55.2mm的焦距轻易实现相当于135相机420mm的12倍光学变焦，它所配备的CCD尺寸仅为1/3.2英寸，约合5.27mm×4.40mm，跟指甲盖差不多大。另外，短焦距也令拍摄的景深受到了影响，CCD尺寸越小的数码相机越不容易拍出浅景深效果，解决之法，唯有加大CCD的尺寸。
CCD的“1/x英寸”标注方法，也在长期困扰着数码影像爱好者。有人把它理解为CCD对角线的长度，结果计算出的CCD面积比真实面积大出许多倍。按照比较专业的解释，现在DC、DV产品所用的CCD尺寸标注方式，是用过去的摄像机真空摄像管的对角线大小衡量的方式，标准术语应该叫“OF-Optical Format”(光学格式)，它的单位为英寸。CCD的OF粗略的计算方式就是：OF=对角线长度(单位：mm)/16，比如1/1.8型(type)的CCD，1/1.8英寸是OF值，实际对角线长度为9.04mm。还有一种计算CCD的对角线大小方法，只要将镜头实际焦距除以35mm等效焦距后乘43(35mm底片对角线)即可。下面我们列出几种常见的CCD尺寸以供参考：
1.全尺寸CCD(与135相机底片尺寸相同)：大约为36mm×24mm( CONTAX N Digital)
2.大型CCD：23.7mm×15.6mm(Nikon D1X、Nikon D100)
3.2/3型CCD：9.74mm×7.96mm(Nikon Coolpix 5700、Coolpix 5000、Minolta DiMAGE 7Hi、SONY DSC F717)
4.1/1.8型CCD：8.1mm×6.64mm (Nikon Coolpix 4500、Canon G3、Olympus 5050Z)
5.1/2.7型CCD：6.17mm×5.17mm (nikon Coolpix 3500、Canon IXUS V2，V3)
6.1/3.2型CCD：5.27mm×4.40mm(Nikon Coolpix 2100)
CCD技术的发展趋势
CCD应用于数码影像用途，掐指算来不过几年时间，但是发展的速度非常迅猛。作为影像核心的CCD生产工艺的快速成熟，才使数码相机从以往电脑爱好者手中的玩具变成今日无处不在的影像创作的利器。目前在CCD设计加工上比较成熟的几家大公司如索尼、富士、柯达等都在各自的产品中融入了独特的工艺，也使CCD的技术多元化。
索尼公司是最早尝试将CCD应用于数码影像设备的公司。自上世纪70年代研发以来，该公司的CCD产品累计生产量达到1亿个，广泛运用在摄像机和数码相机上，现在市面上大多数消费级数码相机都采用了索尼CCD。从技术上看，索尼的CCD已经开发了数代产品，从最初的HAD感测器，到后续的 ON-CHIP MICRO LENS、SUPER HAD CCD、NEW STRUCTURE CCD，再到更新的EXVIEW HAD CCD，可以明显地看出索尼在CCD开发上是在不断提升光利用效率的方针下，以积极降低产品消耗电力，减少驱动电路复杂度，减少IC PIN脚数以及减轻电子产品对地球生态环境负担为目标的。在目前数码影像领域，索尼占据了CCD市场的半壁江山。
富士和柯达公司在传统胶卷和冲印技术上的优势，使它们也成为了CCD业界巨头。富士公司独立开发的超级CCD，一改传统CCD上感光元件的排列方式，将光电二极管的形状设计为八边形，在一定程度上加大了其尺寸，从而提高了成像元器件的感光度何动态范围。该技术自1999年面世以来，被大量运用于富士数码相机上。最新的SUPER CCD SR更通过整合高感光度的S像素(大像素)和起到拓宽动态范围的R像素(小像素)使其动态范围达到了前代产品 四倍。柯达公司则是较早从事大型CCD研制的厂商，像该公司出品的DCS Pro Back专业中画幅数码相机后背，采用全幅式CCD，影像分辨率高达1600万像素，处于业内领先水平。去年该公司也尝试推出像素高达1400万的单反数码相机DCS pro 14n，引起了广泛关注。
在CCD身后，CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体集成电路影像传感器)技术正在紧追不舍。与CCD相比，CMOS的最大特点表现在集成度高、功耗小、生产成本低，但是对光线的灵敏度不好、信噪比也很低。随着近年来佳能等相机大厂对CMOS的重视，CMOS技术上取得了很大突破，创造出集成电路杂音减少技术、电荷转移技术和集成电路程序的扩大增益技术。佳能发布的新款数码单反—EOS D30、EOS D60，和拥有全画幅尺寸、像素数在1000万以上的佳能EOS 1Ds都采用了CMOS感光器件。
美国Foveon公司去年推出了Foveon X3技术。这是一种用单像素提供三原色的CMOS图像感光器技术。与传统的单像素提供单原色的CCD/CMOS感光器技术不同，Foveon X3技术的感光器与银盐彩色胶片相似，由三层感光元素垂直叠在一起。Foveon声称同等像素的X3图像感光器比传统CCD锐利两倍，提供更丰富的彩色还原度以及避免采用Bayer Pattern传统感光器所特有的色彩干扰。
技术的更新，让CMOS赶超CCD的势头不断增强，在今后数码影像器材的演变道路上，CCD和CMOS两大阵营的交锋将愈演愈烈。这对技术的进步来说，无疑将是一件好事。纵观CCD的发展趋势，大尺寸、高像素的CCD产品必然是主要的发展方向。现在困扰CCD大尺寸化的主要问题是造价昂贵，而且成品率也比较低，但是随着工艺的改进，应该可以逐步将生产成本降低以达到普及。除研制超大型CCD外，索尼等公司也在尝试尽可能提升微型CCD的分辨率，用来制造超小型相机和用于PDA、移动电话上的影像装置。