站在最前沿──观新一代成像元件技术
软件世界
编者按：2004年初，索尼的新一代消费级旗舰数码相机DSC-F828即将在国内上市，目前在市场上的报价大约为9600元。通过记者最近对数码相机市场调查得知，由于国内目前还没有行货销售，因此商家普遍采用订购方式销售，也有不少数码摄影爱好者向商家缴纳了一两千元的订金希望第一时间买到这款相机。为什么这款相机如此吸引消费者呢？编者认为，新一代四色滤光技术的CCD是其中最重要的因素之一。下文就将向大家介绍最新一代的成像元件技术，以期对大家新年购机有所帮助。
所谓的成像元件就是指将镜头获取的光学图像转换成电信号，并发送到图像处理系统的半导体元件。如果将镜头比喻为人的眼球、将图像处理系统比喻为人的大脑，那么成像元件就相当于视网膜。现在的镜头一体型数码相机中，成像元件多使用CCD(电偶合器件)，而高档单反数码相机也有不少采用CMOS(互补金属氧化物半导体)。
一、索尼──四色滤光技术的CCD
四色滤光技术的CCD是索尼在今年推出的一项新技术。众所周知，传统的感光无非红(R)绿(G)蓝(B)三色。传统数码相机所应用的CCD/CMOS感光单元就是采用彩色滤光片原理，每个像素各感应不同的颜色，然后再将这些颜色重新组合成一个有效像素。按照传统的光感测方式，在单一的感光层必须采集红、绿、蓝三个色光，因此CCD或者CMOS必须被设计成为马赛克方式排列，而传统感光标准是对绿色光采集50%光量，对红色和蓝色光各采集25%光量，每个像素各感应不同的颜色，然后再通过数字模块转换将色彩仿真组合成为影像输出。
索尼所推出的四色滤光标准在业界被称为RGBE，相对于从前的RGB技术而言，全新的E被SONY认为是一种亮蓝色标准，这里的E就是英文祖母绿单词Emerald的缩写(看上去应该算是青绿色)。按照索尼目前公布的资料来看，采用全新的RGBE技术设计的CCD相对于早先的三原色RGB技术设计的CCD而言其色彩还原错误将会降到最低，在各种拍摄环境中的色彩表达将更趋于真实。
四色滤光技术的CCD配合索尼全新的图像处理模块，新一代的RGBE CCD模块可以将数码相机在色彩还原上的错误降低至少一半，而数码相机在蓝、绿、红色方面的还原生成效果也将同时得到加强。
二、富士──第四代超级CCD
富士FinePix S7000目前在市面上的售价大约为9500元左右，与索尼F828相近。那么，富士FinePix S7000的CCD又有何特点呢？
富士S7000采用了第四代超级CCD，它是富士在2003年1月22日发布的，它包括了超级CCD HR和超级CCD SR，所以，它的有效像素虽然只有600多万，但输出像素高达1230万，而且，第四代超级CCD相对于索尼四色滤光技术的CCD来说，又有其独特之处。
超级CCD与包括索尼四色滤光技术在内的普通CCD最大的不同之处是它使用的不再是普通的矩形光电二极管，而是较大的八角形光电二极管，像素则以蜂窝式排列。普通CCD由于在互相垂直的轴上间隔较大，使其水平和垂直分辨率低于对角线上的分辨率，而“超级”CCD互相垂直的轴上间隔变窄，因此水平和垂直分辨率高于对角线上的分辨率，这也就意味着水平和垂直分辨率得到了相对提高。
超级CCD的另一意义是使CCD的面积与像素矛盾得以缓和。因为要提高影像质量就必须增加CCD的像素，因此在CCD尺寸一定的情况下，增加像素就意味着要缩小像素中的光电二极管。我们知道单位像素的面积越小，其感光性能越低，信噪比越低，动态范围越窄，因此这种方法不能无限制地增大分辨率。如果不增加CCD面积而一味地提高分辨率，只会引起图像质量的恶化。但目前更大尺寸CCD加工制造比较困难，成品率也比较低，因此成本也一直降不下来。“超级”CCD的设计可以使这一矛盾得以缓解。其像素按45度角排列为蜂窝状后，控制信号通路被取消，节省下的空间使光电二极管得以增大，而八角形的光电二极管因更接近微透镜的圆形，从而可以比矩形光电二极管更有效地吸收光。光电二极管的加大和光吸收效率的提高使每个像素的吸收电荷增加，从而提高了CCD的感光度和信噪比。
三、尼康──LBCAST
尼康在从11下旬上市的单反数码相机D2H中配备了一种名为“LBCAST”的成像元件。D2H是面向专业用户的高级相机“D1H”的后续机型。与成像元件使用CCD的D1H相比，D2H的特点是耗电量大幅降低，而且按下快门时的反应速度非常快。
使用原来的数码相机拍摄跑动中的孩子等对象时，有时即使是把拍摄对象的影像捕捉到画面中央立即按下快门，实际拍出的照片对象已经跑到了照片的边角上。这是因为从按快门到实际保存图像之间存在被称为“释放时滞”的时间差。D2H将这一时间缩短到了0.037秒，通过这一改进，新机型实现了8帧/秒的连拍功能。因此D2H主要面向体育和新闻记者等需要拍摄大量照片的专业人士。
LBCAST以CMOS传感器技术为基础开发而成。那么，LBCAST、CMOS、CCD之间有何区别呢？为了理解LBCAST的特性，让我们首先来了解一下三者的区别。
摄影元件是靠其中的像素获取光学信号，并将光信号转换成电信号。在这一点上，三者完全相同，但在将电信号传输到图像处理系统时的信号放大方式则不尽相同。
CCD只在信号的“出口”端线上配备了一个信号放大器。因此，必须将像素转换得来的电信号按顺序排列并发送到出口的放大器上。也就是说，每个像素转换的电信号在布线上如同接力棒一样被依次传送。
而LBCAST、CMOS采用了每个像素附带放大器、分别放大电信号的方式。由于无须像CCD一样依次排列电信号，因此向图像处理系统传送信号的速度大大加快。
摄影元件的像素分为有规律排列的红、绿、蓝三种颜色。在CCD中，由于将这三种类型像素的电信号发送到1个功放中，因此信号的读取也必须是一个系统。但是，在LBCAST、CMOS中，可以利用多个系统读取每种颜色，这种方式也有助于提高速度。
由于CMOS要对每个像素进行电信号的放大，因此具有信号紊乱较大、画面易出现色斑的缺点。为解决这一问题，尼康首先从放大器着手研究。技术人员最初只是打算解决造成色斑的信号噪音问题，但后来发现通过改进放大器还可以带来简化电路等优点。经过反复试验，今年终于开发成功出LBCAST。
四、佳能──除噪的CMOS
佳能也很早就开始着手开发去除CMOS信号噪音的技术，并领先于其他公司将它运用于数码单反相机之中。
今年9月佳能推出的最新机型“EOS Kiss digital”，其中配备的CMOS除了对像素放大电信号以外，还将放大后的电信号发送到图像处理系统中对残留的图像噪音进行除噪处理。另外，通过革新生产技术，提高了成品率，降低了生产成本。EOS Kiss digital凭借低价位的优势，受到了用户的欢迎，包括镜头在内的价格只有14万日之(约合人民币9000元)，上市后部分商店甚至一度脱销，成为消费者追求的热门商品。
目前，LBCAST和CMOS尚未用于镜头一体型数码相机。因为LBCAST、CMOS每个像素使用的元件较多，体积尚未缩小到能够用于袖珍相机的地步。不过，尺寸大也相应地具有比CCD容易提高生产效率的优点。随着单反相机市场的扩大，相机单价能够因为量产效应而进一步降低。
不久前，数码相机开发中，生产厂家重视的还是如何增加CCD的像素、提高分辨率。但在CCD的性能竞争告一段落的今天，以“更便宜、更快”为重点的新型摄影元件的开发大战将正式拉开帷幕。可以肯定，高速增长的单反数码相机市场将成为当前相机大战的主战场。