走入数码相机的内“芯”世界——浅谈图像传感器技术
技术空间
数码相机与传统相机的原理几乎没什么不同，同样是利用光学镜头将物体反射的光聚焦在相机的内部，唯一的差别在于这两者所使用的成像材料不同。在数码相机中起着关键作用的就是今天我们所讨论的主角——图像传感器！
CCD传感器
目前主流数码相机所采用的图像传感器是CCD传感器。CCD英文全称为“Charge Coupled Device”，中文意思是电荷耦合元件。单从外表看，CCD图像传感器就像一个半导体芯片，其表面光滑明亮。但如果把它放在显微镜下，你就会发现CCD组件其实是由上百万个感光元件所构成（图1）。每个感光元件包含一个光电二极管和控制相邻电荷的存储单元，一个光电二极管对应一个成像点。当数码相机的快门开启时，来自影像的光线会让感光点的二氧化硅材料释放出负电子和正电子，通过外部加入电压，这些正负电子就会被转移到不同极性的另一个硅层，暂存起来。电子数的多少和曝光过程光点所接收的光量成正比，在一个影像最明亮的部位，可能有超过10万的电子被积存起来。
CCD的分类
感光元件以矩阵或线性方式排列组成完整的像素阵列，因此根据排列方式不同CCD又分为线性CCD和矩阵CCD。线性CCD用于高分辨率的成像设备，它每次只拍摄图像的一条线，这种CCD精度高，速度慢，无法用来拍摄移动的物体，也无法使用闪光灯，一般只用于扫描仪之类的设备。而矩阵CCD的每一个光敏元件代表图像中的一个像素，它通过垂直传送带从暂存矩阵中读出信号，再向下转移至底部水平转换记录器，然后把电荷搬到放大器中，之后到DSP里读出水平光电位置行列，最后产生电子信号形成一张完整的数字影像。
矩阵 CCD 的优点在于曝光后即可将电荷储存于缓存器中，组件可以继续拍摄下一张相片，因此速度较快；但它的缺点是暂存区占据了感光点的面积，动态范围（Dynamic Range-系统最亮与最暗之间差距所能表现的程度）较小。不过由于其速度快，因此市面上90%以上的数码相机均采用矩阵CCD 为感光组件。
CCD的规格
CCD的规格通常以百万像素（Megapixel）为单位。像素是在感光器件上将光信号转变成电信号的基本工作单位，数码相机规格中的多少百万像素，指的就是CCD的分辨率。值得一提的是，严格定义下的感光器件的像素数与数码相片的彩色像素数并非同一个概念。我们通常所说的400万像素CCD、500万像素CCD都是以数码相片为基准的定义。比如，400万像素CCD对应的最高图像分辨率是2304×1704，图像的总像素数为3926016（接近400万），但CCD中的感光元件的总数往往远不止400万。
这种差异主要是由必须呈现彩色影像的要求造成的——如果不作任何处理，CCD器件只能捕捉到光线的强弱， 也就是只能形成不同灰度级的黑白图像而已。不过，图像传感器实际上只能记录光线的灰度。也就是说，它能记录光线的强弱，但却没有办法分辨颜色，而我们最需要的却是光线的颜色。目前CCD主要的解决方式是在每一个光电二极管上都采用了滤光器，利用分色滤光片使对应的光电二极管只能记录相应单色光。分色滤光片呈网格状排列。CCD采用的分色方式主要有两种，一是RGB原色分色法，另一个则是CMYG补色分色法，这两种方法各有利弊。原色CCD的优势在于画质锐利，色彩真实，但噪点比较明显。因此一般采用原色CCD的DC，在ISO感光度上多半不会超过400。而补色CCD多了一个Y黄色滤色器，在色彩的分辨上比较细致，但却牺牲了部分分辨率。在ISO值上，补色CCD可以容忍较高的感光度，一般都可设定在 800以上（图2）。
不过，普通的彩色图片传感器CCD仅仅拥有一层单色相片探测器，而且每个像素仅为一个光电探测器。拍摄彩色相片时，图片传感器中的各个像素以镶嵌的形式组合起来形成一种三色“跳棋盘”，因而各像素只能对一种色彩——红色、绿色或蓝色进行感光。不管基于镶嵌技术的图片传感器拥有多少像素，图片传感器镶嵌滤色片都拥有天生缺点，因为它们只能对全部色彩中的1/3进行感光，基于镶嵌技术的图片传感器必须依靠复杂的处理程序来插值没有感光到的2/3色彩，这样往往会损失一些图片细节，并会导致色彩失真。为了进行补偿，一些相机只能故意让相片变得模糊，以减少这些失真现象。
A/D转换器
数码相机既然是采用数字信号来表示图像，那数码相机是如何将光转化成每一张电脑可阅读的数码相片？这时就要借助A/D转换器了（注：A/D转换器，即模数转换器，将现实世界的模拟信号变换成数字位流以进行处理、传输及其他操作）。由于数码相片都是由像素构成的，每个像素能够记录Bit（位）的范围取决于A/D转换器的设计。一般来说,至少支持8Bit（256灰阶，即2的8次方）才可以符合大多数电脑显示器所能显示的范围，不过这样的变化还是太小，在连续色调影像中需要更多的色阶分色，才能更逼真地表达真实影像，因此数码相机需要更高的解析力，每个红、绿和蓝色输出至少要达到10Bit以上（1024灰阶）才行。
目前400万像素以上的数码相机，大多已配置了12Bit的A/D转换器，甚至更高规格的24Bit A/D转换器。尽管高Bit值的A/D转换器对画质的改善确实有帮助，但电脑屏幕上显示的图像却受限于后来的数字影像加工处理过程，不得不减少、处理或压缩多余的Bit数据，以产生可被电脑所接受的影像格式——电脑可以显示24Bit的全彩JPEG文件。换句话说，就是R、G、B三原色各使用8Bit的色彩通道，这样JPEG的色彩组成可达1677万色，达到人眼范围的极限。即数码相机只要配置8Bit的A/D转换器，就可以满足需要。
既然电脑只能接受8Bit的色彩数据，为何数码相机要开发到14Bit以上的转换器呢？这主要是因为没有统一的图像文件存储格式，例如RAW文件，RAW可以充分地记录下这款数码相机在拍摄这张相片时所有的原始数据，由于并没有统一的RAW文件格式，各家厂商可以依据自身数码相机的设计，摆脱JPEG规格的束缚，让色彩和画质表现更加完美。
总的来说，Bit高的A/D转换器就具有更多的取样参数，合并计算出的24Bit JPEG文档的表现，要比单纯的JPEG文档要好。
两种特色的CCD技术
传统矩阵CCD所采用矩阵排列感光元件的方式，限制了在有效面积内提升分辨率的能力，同时图像失真现象无法得到完美解决。因此，为了达到更高的分辨率、更逼真的效果，一些厂商在传统CCD技术基础上推出了几种新的CCD技术。
1.富士的SUPER CCD技术
在CCD技术中，富士的SUPER CCD（超级CCD）可谓是独树一帜。在感光元件的排列方式上SUPER CCD技术与传统的CCD技术有很大的差异，它并没有采用常规正方形二极管，而是使用了一种八边形的二极管，像素是以蜂窝状形式排列，并且单位像素的面积要比传统的CCD大。同时由于将像素旋转45度的菱形排列使得其结构又要比传统的CCD要紧凑许多，这样光线集中的效率比较高，效率增加之后使感光性、信噪比和动态范围都有所提高（图3）。
此外，SUPER CCD最大的特点在于“绿色像素点”比传统CCD多，配合数据插值混合运算，可以得到比传统CCD更高的解析度，这对于表现物体的细节很有帮助。
2.SONY的4色CCD技术
虽然现在负责感光的CCD器件的像素值已经从最初的35万猛增至800万，甚至高达1200万，但CCD由于使用RGB三原色滤镜捕获图像，色域范围过窄，使得不少颜色损失，从而不能“原汁原味”地呈现出物体的真实色彩。
针对这个问题，索尼公司在原矩阵CCD技术基础之上推出了4色CCD技术。即在RGB三种颜色基础上增加一种名为“Emerald”（翠绿）的颜色，从而变成RGBE的滤色结构，其设计类似CMYK专业四色系统。不同于以往三个原色RGB，E这个颜色加强了对自然风景的解色能力，让绿色这个层次能够创造出更多的变化，让图像更具层次感。
CMOS传感器
除了CCD之外，还有一种感光器件叫CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体集成电路影像传感器）。
CMOS的感光单元由一个光电二极管、一个电信号转换单元、一个信号传输晶体管，以及一个信号放大器所组成。CMOS感受到的光线经光电转换后使电极带上负电和正电，这两个互补效应所产生的电信号（电流或者电势差）被CMOS从一个个像素当中顺次提取至外部的A/D（模/数）转换器上，再被处理芯片记录解读成影像。
与CCD相比，CMOS最明显的优势是集成度高、功耗小、生产成本低、容易与其他芯片整合，同时其功耗仅相当于CCD功耗的1/8。但是CMOS也存在一些弱点，例如对光线的灵敏度不好、信噪比低。所以在几年前，许多低端的数码相机为了降低生产成本，广泛采用CMOS作为感光元件。CMOS一度成为价格低、像素少、成像质量差的代名词。不过，在众多厂家的推动下，新的CMOS技术也在不断地改进，在成像质量方面已具有与CCD相抗衡的实力，而目前佳能、尼康的高档单反数码相机都采用了CMOS作为图像传感器。
在CMOS研发上最为突出的就是Foveon所推出的X3技术。与传统的单像素提供单原色的CCD/CMOS感光器技术不同，X3技术的感光器与银盐彩色胶片相似，在像素中同时加入三层感色层，使X3的每颗像素可同时撷取红、蓝、绿三原色，而传统CCD每个像素只包含一层感色层。
因此，理论上在同一范围下，X3可比传统CCD记录更多影像信息，使影像层次、清晰度及细致度大为提高。由于光谱中的绿光对提升相片清晰度及反差起重要作用，而X3又比传统CCD可一次性吸收更多绿光，所以利用X3拍摄的相片会比同级传统CCD的清晰。同时，由于X3技术可一次性捕捉更多色彩资料，所以对对象的颜色重现效果显著，平均色彩浓度比普通CCD多25%至50%，使通过X3拍摄的相片色彩更丰富。此外，由于CCD的色彩记录排列方式有变化，面对以往被称为网纹的影像（如拍摄衣料），X3接有显著的抗网能力，不会像传统CCD那样出现撞网的现象。
X3还内建了VPS技术（全称为Variable Pixel Size，群组像素)。何谓VPS？简单说，就是可以因不同情况为影像素进行重组、使4个像素可变成一个独立像素，又或是16个像素变成一个独立像素（图4）。这种技术虽然会降低CCD的解析度，但CCD像素的面积相对增大了，所以像素可感应更多光线，这种技术对于拍摄动态影像非常有用。
令人遗憾的是，X3在发布之后并未得到广泛应用，主要是因为目前数码相机市场几乎为日本厂商所控制，这些厂商同样掌握了CCD、CMOS传感器的专利，因此该技术的推广只能依靠数码相机厂商。
结语
随着图像传感器技术的不断发展，数码相机的成像效果已经有了长足的进步。以目前的市场情况看，CCD在未来一段时间内仍将是市场的主流，但未来技术的发展重点也将从一味提升像素转移到图像效果处理之上。不过对我们用户来说，数码相机采用什么图像传感器并不重要，重要的是能提供给我们满意的图像质量以及更具普及性的价格。