数码相机原理

1、数码相机原理当几年前有人提出数码相机（下文昵称DC）在未来必定取代传统银盐相机时，很多人都对这一在当时看来颇为荒谬的论调嗤之以鼻，而现在看来随着DC销量的井喷式增长、传统菲林销量的下挫，DC在开创数字时尚玩物新概念的同时，也在潜移默化的改变着人们沿袭了多年的生活方式。笔者深感有义务让更多的消费者了解与DC相关的一些技术原理，以便在选购乃至使用中愈发的得心应手，便由此萌发了撰写这一系列文章的念头。在当前的大环境下，“这款相机是多少万像素”想必是我们最常听到的一句话了，时至今日影像传感器（Image Sensor）的“像素”仍是消费者选购DC的第一考虑因素，不可否认像素有着驾驭最终成像质量的能力，

2、但DC商品化至今我们也逐渐感受到，像素的增加在某种程度上并未对画质提高起到积极的作用，这无疑与我们的传统思维大相径庭。索尼F828的800万像素2/3英寸CCD与R1的千万像素APS-C尺寸CMOS目前流行在数码影像业中的影像传感器主要分三种：几乎被索尼和松下垄断的CCD，富士独家技术Super CCD，还有就是前不久才运用到DC产品中的CMOS。从上世纪七十年代世界上一台数码相机诞生以来，CCD从最初发展到500万像素耗费了近三十年时间；而从500万跳跃到800万像素只用了1年多时间，打破了原本每1年提升100万像素的惯例，之后又因画质原因开倒车推出了700万像素，接着消费者等待了约两年时间

3、，期间出现的900万像素Super CCD让我们对千万像素到来的期待愈发强烈，不久前索尼终于引领我们跨过了这不可逾越的鸿沟，但主角却变成了CMOS。往事历历在目，回顾影像传感器的发展仿佛就是数码影像业发展的血泪史！CCD物理结构与工作原理一、尺寸折算与物理结构我们常在DC的基本参数中看到该型号使用了多少英寸多少像素的CCD，比如1/2.7英寸300万像素、1/1.8英寸500万像素，这其中“1/X英寸”到底是怎么计算出来的呢？这时有人就参照电视机显象管的尺寸标识，将这个参数理解成CCD对角线的长度，这是一种不太严谨的说法。需要注意的是“1/X英寸”并不是CCD的尺寸单位，而是CCD的长宽比例。

4、这沿袭了上个世纪五十年代初电视显象管规格的4:3标准，故我们不能说是CCD对角线长度的原因就在于此。由于CCD是在晶圆体上通过特殊工艺蚀刻出来的，遵循统一的4:3的长宽比例这一行业标准，能更有效的控制生产成本。但是当我们按这个标准折算CCD尺寸的时候就会发现，算出的面积往往比真实面积大出许多，这是因为“1/X英寸”表示的是包括电路部分在内的整块CCD的对角线长度，并非CCD中感光核心部分的对角线长。事实上我们现在所接触到的CCD尺寸的说法是参考传统摄像机内的真空摄像管的对角线长短来衡量的，它严格遵守了Optical Format规范，中文译名为光学格式，其数值称为OF值，单位为英寸。因此CCD

5、尺寸的标准计算方法是其实际对角线长度（单位：mm）/16，我们以1/1.8英寸的CCD作例，这个1/1.8英寸就是计算公式中的OF值，16÷1.88.89mm，这就是该CCD感光核心部分对角线的实际长度了，这下大家都心里有数了吧。现在让我们来探讨一下CCD的物理结构，CCD仅仅是一种在硅基板表面通过绝缘膜使大量独立的、透明的光电二极管（下文简称电极）排列起来的固态电子元件（如图1），若按CCD内部的电极排列来分，现在DC中普遍采用的都为矩阵型结构，其特点是色彩表现力更强、光谱范围更广和色彩密度更高等诸多优势。图1如传统菲林胶片一样，CCD也包含了多个结构层，由上至下分别为感光层、色彩

6、还原层、信号转换层（如图2）。图2目前作为整个光电半导体行业老大的索尼将其专利技术融入其中，故业内大部分品牌的DC中都装载了索尼的Super HAD CCD，中文译名为超级空穴堆积CCD。这里我们就结合出镜率最高的索尼CCD来对其构成作进一步的说明，CCD顶部感光层的专业术语叫做“微透镜”（Microlens），如图3所示，Super HAD CCD改变了传统CCD内部微透镜的形状和排列，缩小了两两间的相邻间距，增强了微透镜下面感光电极对入射光线的吸收率，进而提升了电极对光线的敏感度，如图4所示，红色线条表示Super HAD CCD随光线强度变化的敏感度曲线，蓝色则为传统CCD的敏感度变化曲

7、线。图4二、信号的传输方式大家可能都对CCD的成像原理略有所知，但对于其内部的信号传输方式却知之甚少。在光电半导体行业内CCD的输出方式分相互传递型和单一传递型两种，其中“相互传递方式”早已成为CCD制造中的主流技术，包括出货量最大的索尼CCD。下面就对该技术进行分析。图5图5为我们揭示了CCD结构层中最底层的工作原理，可见图中每一个感光电极都对应了一个信号垂直传输单元，当光线透过镜头射到CCD表面时，相应强度的电荷量就被蓄积在电极下面，每单位蓄积电荷量的多少取决于每单位感光电极受到光照的强弱，当我们按下快门释放开关，各单位上的电信号（电流或电压）被输送到A/D（模拟/数字）转换器上，这就完成

8、了一次光电信号的转换与传输过程。现在让我们参照图5，以电极排列是三行四列的模拟图示具体理解相互传递型的工作方式。先从图中的C行开始：第一步、DC集成电路中的时钟发生器（Clock Drivers）发送驱动脉冲，使C行四列全部电极下蓄积的电荷往左边的垂直传输单元输送；第二步、时钟发生器继续对垂直传输单元发送驱动脉冲，使电荷纵向转移至CCD的底部；第三步、重复上述两个步骤后，整个C行的电荷被全部输送到CCD底部的水平传输单元；第四步、时钟发生器继续对水平传输单元发送驱动脉冲，将c行四列的全部电荷顺次输出至集成电路上的A/D转换器中，这时便完成了对整个C行电荷的输出；第五步、重复上述四步将其余两行的

9、蓄积电荷量全部输出至A/D转换器中。这就已经完成了光信号到电信号的转换了。CCD还原色彩的秘密一、彩色滤镜的结构经过上文剖析的信号转换后，此时得到的还是一个灰调的影像，必须经过色彩还原才是我们最终见到的绚丽多彩的数码照片。CCD对环境色彩的还原过程有一个专业术语叫做“白平衡”。由于CCD中的感光电极只能感受光线的强弱，对光的色彩却完全没有分辨能力，因此CCD都使用了“彩色滤镜”（Color Filter Array），这正是其结构中的色彩还原层，滤镜的作用是只能让特定波长的光线通过，从而达到摄取所需颜色的目的。通过前文的讲解我们都已经知道了在CCD内部感光电极为矩阵形排列，因此一一对应对应的彩

10、色滤镜也为矩阵型结构，其排列方式具有相当的规律性，按照过滤的色彩不同而被分为三种。在DC发展的初级阶段，CCD中使用的都是补色（Complmentary）滤镜，如图6所示其也被成为“CMY滤镜”，分别代表了可以过滤青、黄、绿、洋红，四种颜色光线。图6而现在原色（Primary）滤镜为业内通用的色彩还原技术，如图7所示，其中包含绿色（G）、蓝色（B）和红色（R）滤镜单元，故又被亲切地称为“RGB滤镜”。图7至于第三种我们可以当作是昙花一现的技术，它就是索尼在2003年底发布的800万像素F-828中所使用的4color滤镜技术，索尼认为传统的RGB滤色方式是为了适应彩色电视机和电脑显示器的色彩特

11、性应运而生的，但与人眼的视觉感受略有不同，才会出现显示的颜色与真实颜色间有一定微妙的差异，因此4color滤镜结构在原来的RGB三色滤镜结构的基础上添加了一组翡翠绿色（Emerald）的滤镜单元（图8）。图8二、色彩还原的算法为了能更清楚地说明色彩还原这个过程，我们姑且先将一个电极加一片滤镜构成的单元当作最终照片中的一个像素。例如使用500万像素的DC拍照，最大可以拍摄分辨率为2592×1944的照片，这表示照片中有2592×1944个像素点，若我们将照片的分辨率设定在1600×1200，这时千万不要误认为这么多像素中只有1600×1200个像素点参与成

12、像，而是整个CCD感光面积都感受光线，接下来以原色滤镜为例具体剖析CCD进行色彩还原秘密的时候就容易理解的多了。参照图7的原色滤镜结构示意图，我们发现其排列为G-R-G-R（绿、红、绿、红）一行，另一行则为B-G-B-G（蓝、绿、蓝、绿），从而依次构成了分布均匀的RGB排列，这在影像工业中被称为三原色，通过相互间加权运算的组合，几乎能构成我们现实生活中的所有色彩。仔细一算这才发现红色、蓝色单元与绿色单元的比例为1:1:2，这是由于CCD本身材质的光敏特性导致了其对绿色光线敏感度不及红色与蓝色光线，因此通常需要2个绿色单元配合1个红色单元和1个蓝色单元。经过如图9所示的光线滤色后，每个滤镜对应的

13、电极下都蓄积了相应的色彩信息。现在我们可以想象出经过色彩过滤后的“数码照片”是个什么样子了，应该是1/4为红色、1/4为蓝色，剩下的1/2为绿色的“马赛克”式的图案，这样的照片与我们脑海中绚丽多彩的数码照片的模样相差甚远，当然啦，色彩还原进行到这一步仅仅是提取了被摄场景中的红、绿、蓝三种元素。图9在这里笔者先要说明的是对三原色进行加权计算就不完全是CCD的工作了，此时影像处理器（Image Engine）也在依照DC内置的软件算法配合CCD对色彩信息进行协同处理。可惜的是每单位像素点只能记录三原色其中一种颜色的数据，必须凑足三原色才能进行相互间的加权组合，因此影像处理器就会通过某一像素点周围其

14、他像素的色彩信息来进行色彩还原。参看图10所示的色彩还原示意图，以图中B2像素为例，该像素只留有绿色信息，周围分别有2个蓝色像素（B1/B3），2个红色像素（A2/C2）和4个绿色像素（A1/A3/C1/C3），影像处理器便利用周围这8个像素点的色彩信息，再结合B2像素本身的数据进行环境色彩的还原，经过色彩叠加后才能最终形成数码照片中的一个真实像素。其他像素点的色彩还原同出一辙，可见每一个实际像素的生成都有周围8个三原色像素点的参与，比如B2本身在被还原的同时也将色彩信息提供给周围8个像素进行色彩还原，被加权计算了8次，正因如此数码照片才会变得如此靓丽。图10三、补色与原色的差异补色滤镜技术早

15、在2001年左右就已经淘汰出了DC领域，但直到现在仍有相当多的数码摄像机（昵称DV）仍在使用该技术进行色彩还原，这里就顺便介绍两种技术间的差异。现在我们都知道了原色滤镜在色彩还原时采用了色彩叠加的加权计算方式，如图11的混色关系图所示，补色滤镜则进行的是减法运算。图11由于三原色是进行色彩还原的前提条件，所以原色滤镜直接就可以对环境色彩进行真实的还原，而补色滤镜需要先通过减色法构成三原色之后，才能加权计算出更多的真实像素。加权计算的方法和原色滤镜并无不同，其过程笔者就不再赘述了，但最终的色彩还原效果却有着天壤之别，补色滤镜还原出的画质整体对比度偏低、色彩饱和度不足，完全没有原色滤镜的艳丽效果（

16、图12）。图12四、噪点与坏点笔者身边相当多数量的朋友在选购DC时，都对CCD是否会出现噪点（Noise Pixel）或坏点（Dead Pixel）心存顾虑，他们通常都会使用一些所谓的测试软件进行检测，先不讨论这类软件的有效性和测试结果的真实性，光是这样的测试方法就已经步入了误区。所谓坏点就是拍摄后我们看见照片中出现了明显不亮或是永远亮着的点，这主要是在CCD的制造过程中产生的，也是不可避免的，就像LCD液晶显示器一样，无论怎样改良生产技术，总会生产出一些不良品。无论怎样最后被用来生产DC的CCD都是已经在上游厂商那里经过坏点测试的，因此对市场中正在销售的DC进行各种各样的CCD坏点测试相信都

17、不会有任何不好的结果产生。若是在使用了几年后突然某一天发现CCD上有坏点产生，这种可能性反而更大一些，这是由于CCD中感光电极的光敏性能降低所致。而噪点如图13中框住部分所示，则是因DC影像处理时电流变化频繁过热引起的，故噪点也被称为热点（Hot Pixel），尤其在拍摄夜景的时候特别容易发现，比如照片中夜晚的天空出现了白点或红点。很多用户都认为即使是噪点的话，如果每次总处于同一个位置，那么这个点还能不能算作是CCD上的坏点呢？参考DC厂商的解释来说，噪点的位置也有始终处于同一位置的可能，因此我们并不能完全将它当作坏点来对待，但这也的确是由CCD中某几个感光电极的光敏性能降低所造成的。那么对于

18、这类位置固定的噪点，厂商内部都是如何解决的呢？他们会用专用的写入软件将CCD上固定的噪点在DC的Fireware程序中标注起来，当然我们也可以通俗的理解为屏蔽这个噪点，那么在色彩还原时该点有没有色彩信息就已经不重要了，而是通过周围8个像素点的数据来加权计算出该点的真实像素。噪点只能尽量避免却不能完全消除，但软件的屏蔽总归没硬件改善来得彻底，只有改善DC内部集成电路的设计，才能尽可能避免噪点的产生，这时我们可爱的厂商便开发成功了影像处理器（Image Engine）作为独立的影像处理单元，无疑大大降低了包括CPU在内的其他硬件回路的工作负荷，降低了因发热而形成噪点的机率。Part 1：CCD毫发

19、必现的奥秘一、解像力概念拨乱反正身为数码爱好者的我们，也读过为数不少的DC评测了，不少媒体将其中一项重要的评测内容称为分辨率测试，其实Reslution这个词在这里翻译成“分辨率”并不合适，正确的中文译名应该为“解像力”。所谓解像力就DC对被摄物体中细微点像的再现能力，通俗理解就是能够通过肉眼从最终成像中分辩出很微妙的细节部分。解像力优秀拍出的数码照片必定是毫发必现般地清晰，反之解像力不佳的成像则容易将许多肉眼可见的细节部分变得模糊，当然这与“锐利度”（Sharpness）这一概念相近，但却不是同一个概念，因为影像的锐化在某种意义上也依赖于DC内部的成像算法。（图1）ISO12233标准卡目前

20、用于DC解像力测试的工具是业内权威的ISO12233标准卡（图1），常用的分析软件是日本奥林巴斯公司开发的HYRes。一般测试解像力的方法是使用DC拍摄标准卡中黑白相间的、密度越来越大的横竖条纹，利用成像中线条的反差对比来评估解像力的优劣。当拍摄出的照片中黑白线条的走势越密集，而界线却越清晰越分明时，我们就认为这款DC的解像能力越高。如图2所示为HYRes软件进行解像力评估的放大结果，将原图中框住部分由上至下放大10倍、20倍、30倍后分别得到了右边的三张小图，结果显示了黑白线条从最初的清晰可见到逐渐模糊再到最后混沌一片的渐变过程，可见当线条越是紧密反差也随之衰减，最终变成全灰色，这就表明这款

21、DC的解像力水平也到了极限。（图2）解像力测试放大示意图二、数码照片不如传统胶卷清晰？当前仍有相当多数的消费者认为DC的成像质量不高，甚至还不如传统银盐相机拍摄出的照片毫发必现般地清晰，除了因拍摄者自身的摄影技术造成的成像模糊外，还与哪些因素有关呢？在这里有必要先对解像力的标示方法做一下解释，我们常听说这款DC的解像力达到50线或100线等等，这种数值标示指的是成像中1mm宽度的范围内可清晰再现的黑色线条的数目。众人皆知传统35mm胶片的面积比CCD要大上好几倍，因此当同一场景分别被胶片和CCD曝光时，为了保证最终影像的清晰与完整，这就要求DC配备的镜头在解像能力方面比起传统相机所使用的镜头素

22、质更高。这听起来挺让人费解的，为了让我们弄明白这个问题，先来看图3所示的传统胶片解像力示意图，从图示我们可知拍摄解像力测试标准卡后，在胶卷底片1mm的实际范围内，传统相机的镜头能够拍摄出50条黑线，说明这支镜头拥有50线的解像能力。再来对比如图4所示的面积为6.4mm×4.8mm的200万像素CCD拍摄标准卡后的解像力示意图，在1mm的范围中该CCD上约有250个像素点，折算后等效于125条黑色线条，故该DC镜头的解像力就是125线。图3 传统相机解像力示意图事实上我们可以感觉到一款DC在研发中，所配备的镜头并不是针对已装载的CCD而重新设计的，比如200万像素的佳能A60配备的三倍

23、光学变焦镜头，到了500万像素的A95机身上都仍在服役，其内部结构大同小异，顶多只是在原有基础上进行小修小补。对于类似问题，厂商的解释都如出一辙，说这支镜头在开发初期就考虑到足够胜任未来多少万像素的成像要求。需要注意的是厂商的说法也并非烟雾弹，他们并没有欺骗消费者，但有时我们甚至发现同一款DC在成像的清晰度方面存在着个体差异，除了因镜头制造过程中允许出现的加工误差外，这又是什么原因造成的呢？图4 DC镜头解像力示意图三、毫发必现的奥秘之前多数人都将核心部件CCD比作DC中的“心脏”，笔者认为这样的比喻并不恰当，整部DC与人类眼球的结构极为相似，如果我们把镜头当作“晶状体”的话，那么CCD就好比

24、最终聚焦的“视网膜”，而整个硬件回路就是“视神经”。可见对DC来说CCD承担了对焦聚焦的工作，要知道CCD面积相对胶片大幅缩小的同时像距也在缩短，CCD的物理位置几乎是贴着镜筒末端的，试想假如CCD前后位置稍有差池的话，势必会影响到最终的成像效果，通常给我们的感觉就像是成像模糊，当然我们更愿意称之为对焦不准，但千万别误认为这是因拍摄时的抖动造成的。两者间微妙的距离就决定着整部DC的最终解像能力，如图5所示，两者间衔接的空隙完全由背部三颗螺丝的松紧来决定。前文也说到镜头在制造过程中无可避免的存在加工误差，因此理论上每台DC都必须在工厂内部进行CCD解像力的调整。为了降低本文的阅读难度，这里就简单

25、介绍一下大致的调整方法，以便消费者都能清楚一台DC经过了怎样的内部调整才最终流到你的手上。图5 CCD的物理位置在工厂内部CCD解像力调整总共由广角端水平、垂直解像力调整，长焦端水平、垂直解像力调整，这四个主要项目构成。图6为工厂内部的调整软件截图，软件中的五组CH（下文称之通道）数据分别对应着图5中CCD背面标注的五个位置。CH-0表示CCD中心的解像力，CH-1、CH-2、CH-3、CH-4分别表示除中心位置外CCD其余四角的解像力。在调整过程中软件对CCD的解像力水平进行实时测试与分析，进而反馈给工程师哪个通道的解像力水平不在规格范围内，工程师随即对固定螺丝的松紧度进行调整。比如当图7中

26、CH-1通道出现红色的标有“”的数值时，说明对应的CH-1位置的固定螺丝较紧需适当放松，反之出现红色的“”数值则需要拧紧。想必大家已经注意到了CH-2位置并无固定螺丝，那么该通道的解像力如何调节呢？很简单，由于CH-2与CH-4成对角线关系，故CH-2的解像力水平由CH-4固定螺丝的松紧度来决定，同样的CH-0位置的解像力调节由三颗螺丝的松紧度共同决定。总之CCD解像力的调整是件异常繁琐的工作，只要保证了这五个重点位置的解像力素质就能保证CCD整体的解像力水平在标准规格范围内了。图6 工厂内部调整软件截图可能大家在日常使用中都会有这样一种感觉，那就是数码照片中央位置的成像质量比边缘位置要好一些

27、，这又是怎么回事呢？让我们结合图6左下部分的解像力测试曲线来理解，红色曲线对应的是CH-0通道，也就是CCD中心位置的解像力曲线，依此类推各曲线对应相同颜色的通道，理想状态下各通道的解像力曲线最好重合在一起，但想要达到这种效果基本上很难，因此只要其他通道曲线的波峰在CH-0曲线内，我们就算这个解像力结果在标准的规格范围内，正是因为如此CCD四个角的成像素质永远都不可能超越中心区域。Part 2：像素与面积的辩证关系一、像素、面积&画质的三角关系曾几何时记得一次朋友需要我推荐一款500万像素DC的时候，思考片刻随即推荐了一款各方面综合素质都不差，成像质量也不错的产品，哪知好友先是白了我一

28、眼后吐出一句话“别以为我什么都不懂，500万像素中2/3英寸要比1/1.8英寸的好不少”，听完本想以理据争作些解释，但最终还是无奈的摇头走开，心想若是多作解释恐怕会落得一个某品牌枪手的恶名。笔者举这个亲身经历的事例只是想说，CCD的像素与面积俨然成为了一座由消费者自己亲手搭建起来的囚笼，多数消费者都已沦落到偏面追求高像素，但又忍受不了小尺寸CCD的尴尬境地。在DC商品化初期，像素越高就意味着成像质量越好，这话当时被众多厂商奉为真理，进入2001至2002年这段高速普及的辉煌时期，某厂商由于种种原因并未对产品做像素上的升级，这恰恰违反了大环境的“真理”，随后抛出了“像素并不决定性能” 这句颇具煽

29、动力的宣传口号，也许正是从那时起，像素与性能间才划上了不等号。一年之后当500万像素出现在市场中，同像素间2/3英寸和1/1.8英寸的尺寸之争由此拉开，次年当我们高振双臂迎接800万像素时代来临的时候，小尺寸严重制约成像质量的论调更是点燃了消费者讨伐厂商以此圈钱的导火线。最后的事实证明，2/3英寸800万像素CCD是索尼历史上一款极其失败的产品，索尼在追求高像素的同时并未增大感光面积，或减小感光电极的单位体积，以致恶劣的成像效果被消费者诟病。厂商们一方面靠挖掘像素潜力来赢得市场，一方面担心因感光电极密度过大带来成像下降的问题，另一方面又为了避免过大的CCD尺寸牵涉到对后续产品及其镜头的设计变更

30、，而带来诸多方面的成本透支。足见像素、面积和画质之间的平衡已使厂商们走入了一个进退维谷的境地。二、高像素意义的误区笔者曾在商业周刊上看到的一篇探讨数码影像领域近两年像素之争的文章中的评论部分，不禁为国内当前对高像素意义的狭义理解而深感担忧，评论中说道：“当像素达到1000万的时候，这种竞争还有多少意义呢，除非你拍摄的照片都被用来当海报。”从狭隘上理解，这句话确实在理。目前的打印机都只能输出最大A3画幅的图片，更为常规的尺寸则是A4，在这样的情况下500万像素已经足够，但我们并不能就此认为更高的像素毫无意义。稍有经验的数码玩家就能体会出，一款800万像素DC设定在2592×1944的分

31、辨率拍摄，仔细对比与500万像素DC使用最大分辨率拍摄的结果是不同的，成像算法等其他因素的影响忽略不计，我们很容易就看出800万像素能够获得更多的细节表现力。如图7所示，左边为索尼F828使用500万分辨率拍摄的图像，右边为索尼F717用最大分辨率拍摄的图像，对比后发现无论是在解像力还是锐利度上F828的表现都要高出一个档次，因此高像素绝不是为了获得更大的输出尺寸而出现。图7 800万像素与500万像素同级比较通过前文的讲解我们完全可以把CCD中一个感光电极当作最终成像中的一个像素点，在之前色彩还原过程的讲解中，笔者以500万像素为例说道，若是将照片的分辨率设定在1600×1200，

32、这时千万不要误认为这么多像素中只有1600×1200个像素点参与成像，而是整个CCD感光面积（2592×1944）都感受光线。故同样道理，同一场景被500万和800万像素拍摄后，对应的两张照片中所包含的像素的点数一定不同，故800万像素所拍摄的照片中有更多500万没有摄取到的细节，毕竟多出的300万像素不是用来增加功耗的，它们都实实在在参与了成像，面对最终的实物照片我们可以称之为拍摄到了更多的细节画面。三、像素与面积讨论的延伸既然是用辨证眼光来看待问题，那我们现在就来认识一下高像素小尺寸的优势。笔者记得当年在阅读Dpreview网站主编Phil Askey先生的佳能G5评测

33、报告的时候，就发现Askey写了一段颇为有趣的话，他说G5的默认锐度比EOS 10D的默认值还高，这话似乎当时让很多人都摸不着头脑，但我们随后降低G5原图的两档锐度后发现，果不其然画质的整体锐利度与EOS 10D相当。同样的当Phil Askey在评测佳能EOS 20D的时候，他拿20D与EOS 1D Mark II作比较后又说了相同的话。这究竟怎么解释呢？图8 800万像素解像力对比如果上文关于解像力部分的讲解你能深刻领悟的话，那么理解下面这段文字应该没有困难。先来看如图8所示的原图裁剪对比，左边是佳能EOS 20D，右边是奥林巴斯C-8080W，虽然两款产品基于不同的成像系统，且两者的影像

34、传感器的感光面积差异较大，由于像素相同因此成像质量也具备一定的可比性，我们可见左边影像比右边看起来要锐利许多。这是因为在影像传感器尺寸相同的情况下，像素数不同的影像传感器都要记录相同的影像信息，且要保证影像的完整和高清晰度，那么高像素传感器必然会感知更多的信息，保留更多的细节，故在同尺寸条件下高像素传感器在解像能力上要强于低像素传感器，以及同像素级条件下小尺寸传感器要强于大尺寸传感器就是这个道理。以往在厂商的新产品宣传广告中有一句出镜率相当高的话，那就是“使用了解像力更高的×万像素CCD”，相信现在我们总算明白这句话的真正含义了吧。虽然本文主要剖析消费级DC的相关技术原理，但现在不得

35、已插入了一些涉及专业级数码单反相机（DSRL）的内容，只希望最终能将问题说明清楚。当然笔者也非常认同Phil Askey先生的这种评测方法，因为完全使用默认设置去评价某款产品是不中肯也是不实际的，所以Askey才需要在评测中做出各种调整，这点正是目前众多国内媒体对数码影像类产品评测的瓶颈和理解上的误区。本篇引言通过前两篇对CCD传感器相关原理的讲解，聪明的读者可能已经意识到这样一个问题：“单位面积内集成的感光电极越多，CCD的像素也就越高，若感光面积不及时做出调整，势必会影响到最终的成像质量”。即使我们对像素越来越高的小尺寸CCD颇有微辞，但无论如何我们都不得不承认像素的升级始终是推动DC向前

36、发展的重要驱动力。像素不但有着驾驭DC性能的能力，更是厂商们以此用来划分产品线档次的魔棒，这与CPU行业中的一些做法惊人地相似，英特尔公司为了填补真空的市场，弥补自身产品线的不足，有时就把高主频CPU标注成低频型号流入市场，而在数码影像行业中，也出现了部分厂商屏蔽高像素CCD中的部分像素数，借由推出了低一个档次的同级产品的低像素型号，进而达到了细分产品线的市场目的，这种变相的错位竞争也给消费者带来了更大的选择空间。可惜的是像素的攀升必定在某种程度上受到来自各方面的严峻挑战，难不成像素就因此成为了DC发展的瓶颈吗？山穷水尽疑无路，柳暗花明又一村。有人发现将CMOS加工后也可作为DC中的影像传感器

37、，并在1999年被首次推向市场，CMOS就是计算机系统的主板上用来存储BIOS资料的芯片。初期它也曾经被装载在DC中，但与当时技术成熟的CCD相比，信噪比差、敏感度不够，所以没能占居主流位置，沦落到被拍照手机、PDA等数码产品采用的境地。之后由于佳能公司在CMOS感光技术上的不断努力，随着EOS数码单反相机的问世，CMOS又被重新重视起来，今年索尼公司也成功开发出了适用于DC产品的CMOS传感器，一并推出了DSC-R1这款千万像素级产品，终于使得CMOS在消费级领域也能绽放光芒，相信从此CMOS与CCD在数码影像业内所扮演的角色比重将有所逆转。可是目前仍有相当多的消费者认为CMOS价格低廉是其

38、最大的优势，据笔者所知这些都是片面之词，究其原因您将会在这系列文章的第三篇中找到想知道的答案。Part 1：CMOS终于插足DC领域一、渗透DC之路漫漫其修远兮CMOS曾一度占据着专业级数码单反相机（DSLR）市场60以上的市场份额，这自然得归功于佳能EOS D家族的功劳，比起在DSLR市场中生龙活虎的表现，DC领域却迟迟不见CMOS的身影。当时的形式让我们不得不对佳能寄予厚望，最终却事与愿违，或许佳能压根儿都没有想过要将CMOS技术推广到DC产品上的念头，不然为何长时间都对消费级市场毫无热情，只顾自己在DSLR市场赚得盆满钵满呢。比起吝啬的佳能，我们在这方面或许更欣赏索尼公司的魄力，其DSC

39、-R1也注定是一款在消费级领域具有划时代颠覆性意义的产品。图1如果说佳能是CMOS优异成像技术的奠定者，那么索尼毫无疑问就是CMOS技术的传教士，从2004年底开始就已经暴露出索尼欲将CMOS技术嫁接到DC产品的一些倪端。04年9月随着尼康D2X的发布，索尼制造的第一款可用于专业机身的CMOS传感器也随之浮出水面（图1）。在此之前尼康一直采用索尼的CCD制造DSLR产品，同时自己也在2002年与佳能、柯达及奥林巴斯在CMOS领域开展了广泛的合作，并进行了多次尝试，可惜的是2002年之后的几款机型中都未能如愿，反而鼓捣出了一个变形技术LBCAST传感器（图2）。可见D2X影像传感器的开发让拥有C

40、MOS技术功底的尼康，与拥有业内最先进的微透镜技术的索尼间秘而不宣的合作关系透明化，两家终于联手冲破了佳能对CMOS技术守口如瓶的壁垒。鉴于索尼成功推出了装载CMOS传感器的DC产品的刺激下，佳能能否被其拖下水，开发出类似的消费级产品，亦或是成长为感光元件的供应商，这就又要多打上几个大大的问号了。图2二、后起之秀CMOS优势论笔者曾经问及身边那些已经过渡到DSLR的朋友，是什么原因促使他们义无反顾跳进这个烧钱的陷阱时，得到的答案中“受不了小尺寸高像素带来的噪点”占了多数，足见相当多数的DC用户都饱受了恶劣画质带来的折磨。我们都知道影像传感器的像素越高，感光面积中集成的感光电极的密度就越来越大，

41、这就需要通过增加感光面积，或者缩小感光电极的单位体积来达到目的。由于目前CCD生产线的利用率不高，每提升100万像素就需要对生产线进行相关的改造，所以增加像素必定牵涉到制造成本，每提高一个等级，DC的价格都要高出一截，况且提升到一定程度后，由于制造工艺的限制，短时间内很难再有所突破。目前业内还没有提出新的CCD尺寸规格，如果传感器尺寸仍然维持在2/3英寸的话，那么单位电极的间隙就被限制在0.4微米以内，进而导致量产中损品的产出率与制造成本的大幅度攀升。而CMOS采用的是标准工艺制程，可利用现有的半导体制造流水线，无需额外投资生产设备，并且其芯片本身的品质也随半导体技术的进步而提高。同时像素越高

42、CMOS制造工艺的优势就越明显，即便是0.18微米的制造工艺都可以轻松获得1600万像素的CMOS传感器。就当CCD久久徘徊在800万像素的时候，另一边的CMOS却早已超越了千万像素级，正是因为当时这一特殊情况，很容易让消费者产生CMOS制造成本比CCD便宜的误区，事实上除了对生产线改造费用的节省，以及用来制造的材质稍微廉价之外，相同像素级的两者比较起来，CMOS本身的综合成本并不比CCD低廉，鉴于其本身信噪比不高、灵敏度不佳的特性，要想获得较高的成像品质就必须在周边硬件回路的设计上下足功夫，因此其综合成本较CCD来说有过之而无不及。遥想当初，下决心开发CMOS只是佳能公司为了不受制于索尼CC

43、D供给关系的一计高招，而现在索尼却成功地为我们演绎了CMOS被DC所用的童话。DSC-R1带给我们的决不是千万像素出现的震撼，包括更高的分辨率、更少的噪点杂讯、更高的信噪比，接近1.6倍的焦距转换系数，使得镜头焦距段范围利用价值更高，以及更容易获得出色的景深效果，诸如此类的之前消费级产品所不能解决的问题都被迎刃化解，足见APS-C画幅的CMOS传感器将今后的DC产品带到了一个成像质量有本质改变的高度。Part 2：CMOS的致胜法宝一、物理结构透透看最初的CMOS传感器以“被动式像素结构”（Passive-Pixel Structure）技术为主，该技术造成了核心内部晶体管数量的增多，与如日中

44、天的CCD比起来，执行效率低下、信噪比差、暗电流（Dark Current）大、光敏性能低等诸多弊端。后来业内普遍采用的是一种叫做“主动式像素感应”（Active-Pixel Sensor）的新技术，该技术拥有极高的系统整合特性，如图3所示可将传感器所需的周边回路集成在晶圆体中，一改以往成像品质恶劣的颓势，直到现在这项技术已经成为了佳能、索尼用于生产CMOS传感器的主流技术。图4下面就让我们先从物理结构来了解CMOS传感器吧，如图4所示为CMOS感光核心的局部放大图示，从本质上来说CMOS在内部层次结构方面与CCD相比并无太明显的差异，一对对PMOS和NMOS晶体管在底层的硅基板表面连接构成了

45、一个个感光电极，只不过“信号转换层”中每个感光电极旁都设计了一个信号放大器。随着近两年来全画幅CMOS和千万像素级CMOS的大量涌现，出现了一种被称之为“Fill Factor”的制造工艺，中文译名为填充因子CMOS传感器，如图5所示，Fill Factor CMOS与传统CMOS最大的区别就在于顶部的微透镜结构，由于CMOS本身尺寸较大，因此其内部的单位感光电极的体积也较CCD更大，将传统的辅助聚光用途的微透镜结构改为平面镜覆盖在电极顶部，使得Fill Factor CMOS对光线的摄取不受任何外界因素的干扰，这对成像素质的提升绝对是利大于弊。图5二、信号传输方式CMOS的物理结构决定了其感

46、光核心内共存着带负电荷的N晶体管和带正电荷的P晶体管，这两个晶体管互补效应所产生的电信号（电流或者电压）就被CMOS输送至外部的A/D（模/数）转换器中，再被影像处理器解读成影像。如图6的信号传输示意图所示，具体工作时先将光信号在电极内部转换成电信号后，输送至水平转换寄存器内暂存，再从寄存器读取至电极旁的信号放大器，最后输出暂存入垂直转换寄存器，接着输出至CMOS感光核心外。图6咋一看似乎与CCD的工作方式大同小异，实则大不相同。如图7所示，CCD在感光后将每行中每一个电极的电信号顺次输送至底部的传输层，再由底部顺次输出至放大器进行信号放大，而CMOS在设计中每个感光电极都配备了一个单独的信号

47、放大器，故CMOS传感器可以在每个像素的基础上进行信号放大，采用这种方式可进行快速的数据扫描与传输，能够达到胜任千万像素级别的信息处理效率。同时CCD的传输方式为被动式，时钟发生器必须不停发送脉冲信号给每个电极才能将电信号输出至放大器，而CMOS的驱动方式为主动式，电极下蓄积的电信号会由旁边的信号放大器主动放大输出，故相对来说更加省电，单凭这两点CCD便望尘莫及。数据的处理速率提高了也随之带来了其他的负面影响，比如每个电极旁都有一个信号放大器，可想而知相互间光电信号干扰急剧增加，进而导致了成像中愈发容易受到噪点的影响，尤其是在处理大数据流的时候，CMOS内电流变化过于频繁更加容易产生热点。图7

48、三、高素质CMOS的成像秘诀由于CMOS的色彩还原原理与CCD基本类似，同样是通过彩色滤镜实现的，所以这里笔者就不再花时间赘述了，上文也提到了CMOS的种种劣势，现在就让我们来讨论厂商都通过了哪些行之有效的方法来扬长避短，考虑到佳能公司是对CMOS技术造诣最深的厂商，故下面的内容就以佳能CMOS来作讲解，必定又要涉及到DSLR产品所使用的CMOS了。图8佳能认为成像质量不仅取决于影像传感器中的总像素数，也与传感器的尺寸有着至关重要的关系。佳能这里所指的成像质量主要考虑的还是最终成像的动态范围（Dynamic Range），以及更高的信噪比，所谓信噪比就是有效信号（Signal）与无用的杂讯（Noise）之间的个数比例，这些正是驱使佳能马不停蹄开发出更大尺寸CMOS的根本原因。如图8所示，佳能将