1、数码相机感光元件选购攻略：看懂相机的芯2010 年 04 月 19 日 05:06 CHIP新电脑感光元件面对数码相机多达几十种的品牌、上千款型号的产品，以及不计其数的经销商，消费者该如何选择适合自己的数码相机产品呢？今天我们结合前面的数码相机横向评测以及前沿技术的内容，从影像核心感光元件(CCD 和 CMOS)的角度帮助大家选择适合自己的数码相机产品。在数码相机中有 3 个核心部件直接影响画质，它们分别是镜头、感光元件和图像处理系统。提到数码相机的感光元件我们首先要了解 CCD 和 CMOS 这两个名词，它们是数码相机用来感光成像的部件，相当于光学传统相机中的胶卷。感光器件的面积越大，也教师
2、 CCD/CMOS 面积越大，相同时间段中捕获的光线就越多，感光性能就越好，信噪比越高。感光元件的尺寸影响成像效果的关键因素感光元件的尺寸影响成像效果的关键因素感光元件的尺寸是影响感光元件成像效果的一个关键因素。传统的照相机胶卷尺寸为 35mm，35mm 为胶卷的宽度(包括齿孔部分)，35mm 胶卷的感光面积为36mmx24mm(长 x 宽)。换算到数码相机，感光面积的对角长度越接近35mm，CCD/CMOS 尺寸就越大。在单反数码相机中，很多都是拥有接近 35mm 对角线长度的 CCD/CMOS，例如尼康的 DX 幅面，传感器尺寸面积达到 23.6mmx15.8mm，比消费级数码相机要大很多
3、，而佳能 EOS 1Ds 系列和尼康 FX 系列的传感器尺寸为36mmx24mm，达到了 35mm 胶卷的成像面积，称之为全画幅相机，当然成像质量也相对较好。现在市面上的消费级数码相机的感光元件主要有 2/3 英寸、1/1.8 英寸、1/2.7英寸、1/2.3 英寸等几种。传感器尺寸越大，感光面积越大，成像效果越好。比如1/1.8 英寸的 300 万像素相机效果通常好于 1/2.7 英寸的 400 万像素相机。而相同尺寸的 CCD/CMOS 像素增加固然是件好事，但这也会导致单个像素的感光面积缩小，有曝光不足的可能。但如果在增加 CCD/CMOS 像素量的同时，维持现有的图像质量，就必须在至少
4、维持单个像素面积不减小的基础上增大 CCD/CMOS 的总面积。不同传感器的特性差异不同传感器的特性差异CCD(电荷耦合元件，Charge-coupled Device)是一种半导体器件，能够把光学影像转化为数字信号，它具有的优点很多，其中包括灵敏度高、抗强光、畸变小、体积小、寿命长、抗震动等。下面简单说说 CCD 感光元件的基本特征。采用 CCD 的数码单反相机，图像饱和度较高，图像较为锐利，质感更加真实，尤其是在低感光度下，成像有良好的表现。但是，从目前数码单反相机的表现来看，CCD的噪点随着感光度的升高而增加较快，高感光度下的噪点控制并不是 CCD 传感器的强项。也就是说 CCD 传感器
5、的优势表现在低感光度下，这时候能充分发挥 CCD 传感器的优势，比如色彩鲜艳图像质感鲜活等等。CCD 的另一个特点是，它的表面更容易形成静电场，所以更容易吸附灰尘。所以，对于采用 CCD 传感器的数码单反相机来说，防尘措施必不可少，甚至要定期进行清理。目前，市场上主流的数码单反相机中，采用 CCD 传感器的数码单反相机包括尼康 D40/D40X、D60，D80，D200，索尼a100/200/300/350。说到 CCD 技术就不得不提到富士及其 Super CCD 产品，目前最新的 Super CCD EXR 技术已被应用于众多富士数码相机中。EXR 技术可以达到超高分辨率、超宽动态范围、高
6、感光度和低噪点的效果。Super CCD 是由富士公司独家推出的，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，像素以蜂窝状形式排列，并且单位像素的面积要比传统的 CCD 大。将像素旋转 45 度排列的结果能提高单像素的受光面积，也就是感光的效率比较高，效率增加之后会使感光性、信噪比和动态范围都有所提高。富士公司宣称，Super CCD 可以实现相当于 ISO 800 的高感度，信噪比比以往增加 30%左右，色彩表现也大幅改善，电量消耗减少了许多。而 Super CCD EXR 技术就是在原有的Super CCD 技术基础上，将斜向 45 度两个相邻的像素点设计成相同颜色，既减少
7、了邻近像素色彩之间的干扰，也给采用像素合并提高感光度提供了可能。EXR 可以通过合并邻近像素实现感光能力的提高，从而达到更高的感光度。更重要的是，由于斜向邻近像素采用相同颜色，这样在像素合并的时候就可以从根本上避免传统结构CCD 在高感光度时容易出现的杂色现象，大幅提高 EXR 在高感光下拍摄照片的画质。提高画面动态范围是 EXR 的又一特色，EXR 采用了两组通道同时捕捉入射光线，两组通道的感光单元面积完全相同，并分别对亮部和暗部计算曝光，最后通过类似Photoshop 的图层合并概念将两个通道取得的图像完美合并，得到一张拥有较宽动态范围的照片。使用 Super CCD EXR 技术的机型有
8、富士 FINEPIX F75 EXR、F85 EXR、F200 EXR以及 S205 EXR 等。Super CCD EXR 技术CMOS 的特性在某些程度上跟 CCD 完全相反。CMOS 传感器在低感光度下的成像也非常干净，但是，采用 CMOS 传感器的数码单反相机成像看上去偏灰(在不调整的情况下)，色彩饱和度较低，质感和锐度的表现也要稍逊一筹。目前大多数 CMOS 具备硬件降噪机制，因此噪点随着感光度的升高增加较慢。同时，在高感光度下，CMOS传感器噪点控制表现反而好过 CCD 传感器。佳能的全系列数码单反相机均采用 CMOS传感器，这也是佳能的数码单反相机在高感光度下表现较好的一个原因。
9、而尼康D300、D700、D3 系列，索尼 700、宾得 K20D、三星 GX-20 等采用 CMOS 传感器的数码单反相机在高感光度下也有较好的表现。CMOS 的另一个优点是数据读取速度快，因此那些连拍速度较快的数码单反相机都采用 CMOS 传感器。另外，CMOS 相对 CCD的功耗较低，除了省电以外，也相对不容易吸附灰尘。市场上采用 CMOS 的厂商有很多，如索尼研发的背照式 CMOSExmor R CMOS 和适马 Foveon X3。背照式 CMOS背照式 CMOSExmor R CMOS 背面照明技术感光元件，改善了传统 CMOS 感光元件的感光度。Exmor R CMOS 采用了与
10、传统 CMOS 的设计顺序正好相反，向没有布线层的一面照射光线的背面照射技术。由于不受金属线路和晶体管的防碍，开口率(光电转换部分在一个像素中所占的面积比例)可提高近 100%。与其以往 1.75m 间隔的表面照射产品相比，背面照射产品在灵敏度(S/N)上具有很大优势。在信噪比方面，背照式CMOS 影像传感器实现了高画质，在实现了低噪点的同时，提高了接近 2 倍的灵敏度，因此新开发的 CMOS 影像传感器的信噪比提高了+8dB(灵敏度提高+6dB，噪音下降-2dB)。同时，Exmor R CMOS 传感器自身的噪点也很低，即使是在全黑环境下，该传感器的抑噪水平也比传统表面照射型更好，其噪点比过
11、去的产品要低 2dB。从技术角度上看，使用背照式 CMOS 可以在高感光度条件下很好地抑制噪点。使用背照式的主要产品包括索尼 DSC-TX1、理光 CX3 以及富士 FINEPIX HS11 等。Foveon X3Foveon X3说到 CMOS 技术不得不提到的是适马特殊的 Foveon X3 技术，它是全球第一款通过分层的方式捕捉全部色彩的图像传感器阵列。一般采用 CCD 或者 CMOS 的数码相机是在 1 个像素上通过在同一平面上并排排列的 3 个感光模块记录 RGB3 种颜色，而Foveon X3 的 1 个像素上包含 3 层感光元件，每层只记录 RGB 的 1 个颜色通道，这样在相同
12、像素面积下，Foveon X3 的感光能力更强。传统的光电耦合器件只能感应光线强度，不能感应色彩信息，需要通过滤色镜来感应色彩信息，我们称之为Bayer 滤镜。而 Foveon X3 在 1 个像素上通过不同的色彩感应层，最表面一层感应蓝色、第二层感应绿色，第三层感应红色。它是根据硅对不同波长光线的吸收效应来分辨色彩，从而来实现一个像素感应全部色彩信息的目的。Foveon X3 这项革新技术可以提供更加锐利的图像和更好的色彩，适用机型包括适马 DP1、DP2 以及SD14 等机型。Live Mos在可更换镜头已经成为趋势的今天，松下和奥林巴斯的 Live MOS 也有着一定的影响了。Live
13、MOS 感光器件在画面质量方面可以媲美全画幅 CCD，功耗上则可媲美CMOS。简化的电路使得光电二极管到微透镜的距离缩短，从而保证了优秀的灵敏度和大入射角的画面质量。在分辨率方面，Live Mos 具有优秀的低照度性能特性；采用了低躁声技术，降低颗粒性；简化了寄存器和其他电路，使得 FFT-CCD 感光二极管的感光面积更大，提高了灵敏度和提高响应速度；功耗大约是 FFT-CCD 的一半；简单的电路结构提高了整体的处理速度。现在的 Live MOS 感光器件主要在奥林巴斯和松下的全部可更换镜头数码相机中使用。选购：传感器坏点检测通过以上传感器种类和品牌的介绍，大家已经可以明白，在现今的数码相机市
14、场中，从传感器角度上来说，CCD 和 CMOS 的成像已经没有明显的差距了，虽然在不同产品中所使用的传感器还有不同，但选择不同传感器的主要原因是厂商出于成本方面的考虑。作为数码相机 3 大核心元件之一的感光传感器，它的质量会直接影响画质，对于传感器的坏点问题我们不得不说明，大家可以按照下述方法检查一下自己的数码相机是否有坏点问题。CCD 坏点不是噪点，它是指数码相机的成像元件中某个感光单元损坏，造成该点无法正常成像或者感光，从而导致每张照片的同一固定位置出现全白、全黑或某种颜色的斑点。但是一般我们很难检测 CCD 或者 CMOS。那么如何才能检查数码相机的坏点？直接用肉眼在数码相机小小的液晶显
15、示屏上看是很难分辨出坏点的，即使将照片输入电脑通过肉眼往往也不容易发现坏点，这里我们就要用到专门测试数码相机坏点的软件 Dead Pixel Test 了。为了避免噪点的干扰，可以把数码相机的 ISO 调整到最低，光圈设置为最大光圈，关闭闪光灯、日期显示、防抖、防红眼灯等影像画质增强的功能，拍摄下全黑或者全白的影像。可以变换快门时间多拍摄几张进行比对。在拍摄时还要注意的是，最好是开机一段时间以后进行拍摄，因为有的坏点是在长时间使用后才会出现，刚刚开机就进行拍摄，往往不易发现。在电脑中运行软件 Dead Pixel Test 中文版(在本期光盘中可以找到)，在测试前我们要对坏点和噪点的检查范围进
16、行设置，将“噪点界限数值”设定为“60”流明；“坏点界限数值”设定为“250”流明。设置完毕后将之前采集的图片导入，测试软件程序会自动进行测试。在“统计结果”右边便会出现坏点和噪点的测试数目。噪点不是问题，但是坏点是传感器的硬伤，大家也可以借此软件，测试一下各个ISO 值下，相机的噪点状况。介绍过几款感光元件，我们来总结一下，购买时如何来选择合适的感光元件。1.在主流数码相机中，从成像质量、性能表现到功耗，CCD 和 CMOS 成像已经没有了其中哪种一定好的现象，因此在购买时不需考虑在这个环节的选择。2.在像素相同条件下，感光元件 CCD/CMOS 面积越大越好。因为感光元件面积越大，感光性能
17、越好，信噪比越高，暗部细节表现就越丰富，画面层次就越清晰，照片的立体感就越强。3.小尺寸的感光元件在性能上也有可取之处 ，即“偷焦段”现象。由于感光元件的尺寸大小不同，对镜头的焦段造成了很大影响，产生了一系列的折算系数。例如，佳能全画幅和尼康 FX 全画幅的折算系数都是 1；佳能 APS-H 的折算系数为1.3，佳能 APS-C 的折算系数为 1.6；尼康 DX 幅面的折算系数为 1.5；索尼折算系数为 1.5；宾得折算系数为 1.53；奥林巴斯和松下的折算系数为 2。该系数在广角端有弊无利，无形中减小了广角的范围，但是在长焦端增加焦段，如尼康 70mm200mm的镜头安装在 FX 全画幅单反相机中，焦段保持不变，但是装配在系数为 1.5 的 DX幅面单反相机中，其焦段直接变成了 140mm300mm。
