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闲谈CCD 2010-02-19 18:29:19
你知道什么是“电荷耦合器件”(Charge Coupled Device)吗?如果你拥有一台摄像机或数字照相机,这个有着奇怪名字的元件就在为你效劳。不过人们通常以缩写来称呼它:CCD。CCD能把光学影像转换成电子信号。不仅是摄像机,照相机这些家用电器中CCD唱着主角,而且在天文望远镜和很多科学仪器中也有它的身影。

CCD的原理,要从半导体谈起。我们都知道,固体分为绝缘体,导体和半导体。在固体中,有一部分电子不是束缚在某个原子的周围,而是在整个固体中间“游荡”。但这些电子可能的状态是有限的,而且每个状态最多只能有一个电子占据。这就好像一个电影院,观众可以任意调换座位,但一个座位不能挤两个人。导体,就好像电影院里有空位。这样观众通过换座位就能跑来跑去,我们就会看到电子的移动,也就是电流。绝缘体,就是观众正好坐满了全部座位。这样大家都动不了,也就不会有电流。半导体呢,它和绝缘体一样也没有空位子。但是观众比较容易站起来,就有了可以自由移动的人和空着的位置。因为这个差别,半导体就有了很多奇妙的性质。

CCD感光是利用了半导体的光电效应。当电子吸收光子时,就会得到附加能量而跳入高能级,相当于观众从座位上站起来。如果有外加电场的话,那些“获得自由”的观众会被拉到别处而与“空椅子”分离,就不能再坐下来。所以,入射光会在半导体里产生自由电子,其数量与光强(更严格地说是光子数)成正比。这就是半导体的光电效应。最普通的半导体材料是硅。从红外到可见光到紫外线都能在硅中产生光电效应。

所以,基本的半导体影像感受器件是这样的:在半导体材料中通过一定的内部构造和电极,把表面分成一个个小格子,称为“像素”(pixel)。电子不能随便跑到别的像素去。在曝光后,每个像素中的电子数量就正比于接受的光强度。这样,只要把这些电子的数量读取出来,就能重现光的影像了。

但是一个感受器可以有上百万个像素。如果每个像素都有一套读取电路,整个器件就会很复杂。CCD的聪明之处,就在于一种“传送带”式的读取方式。在CCD器件中,像素之间的电子隔离是由一些电极控制的。通过加上适当的电压,可以把一个像素中的电子转移到相邻的像素。这样,每个像素既在曝光时担任收集光电子的功能,又在读取时扮演“传送带”的角色。通过像素之间的“接力”,最终把每个像素收集到的光电子送到读取电路,转化成电压。这种“串行”的读取方式花的时间长(每个时钟周期只能读取一个像素),但只需要一个读取电路,对早期的半导体制造水平来说是决定性的优势。下面的图就是这个电荷转移的过程的一个例子。【注一】这里,一个像素里的电子,通过三步转移,到达下一个像素。



但是如果在电荷传送的过程中继续曝光,同样的光信号就会被记录在代表不同像素的“电荷包”中,而导致影像模糊。这个问题由一个叫做“帧转移(Frame Transfer)”的技术来解决。在CCD芯片上,制造两个同样的像素区。一个用来感光,另一个则被遮光材料屏蔽起来。在读取时,感光产生的电子被并行地(一步)转移到第二个像素区,然后再用串行的方法慢慢读出来。在这同时,第一个像素区又可以对下一幅影像曝光了。还有一个办法,就是把这两个像素区一行隔一行地排列。这样两个区之间的转移就更快。这种结构叫做“行间转移(interline)”。除了转移更快(从而可以支持更高速度的电子快门)以外,行间转移还有个好处就是芯片只要与曝光区域一样大就行了,而不需要制造另一个专门的影像储存区域而增加成本。当然,在曝光区只有一半的面积真正接受光信号,另一半面积是被屏蔽掉的。为了增加采光效率,很多产品在芯片表面加上微透镜阵列,把入射光聚焦到感光的区域去。这样采光效率可以相当于全面积的90%了。

CCD本身并不能感受彩色。为了记录彩色图像,我们使用与现有彩色电视同样的方法,即使用红,绿,蓝三种原色的组合来重现颜色。在记录影像时,可以有两种方法。一种是用分光棱镜的方法把三种原色成分投射到三个CCD感光器件上。另一种是在同一个CCD芯片上,在不同像素上加上不同的滤色片,让它们记录不同原色的光强。下图就显示一种常用的滤色片排列方式。【注二】近年来还出现了一种新技术称为Foveon。 它利用各种颜色的光在硅材料中穿透深度不同,制作三层感光区来收集三种原色的光。



以上介绍了CCD的基本工作原理。作为消费者,最关心的还是最后的成像质量了。那么CCD的哪些指标会影响到照相机和摄像机的成像质量呢?

最广为人知的指标,就是分辨率了。分辨率就是CCD上像素的数量,可以按长,宽来标定(如3072乘2304)或总数(如7兆)。图像的细节是靠像素来记录的。所以像素数量越大,能记录的细节也越多。但是最终的分辨率还与光学系统(镜头)的质量有关。所以对于便宜的照相机,镜头的质量不会很好,追求CCD的高像素数就没有太大意义。另一方面,我们还要看照片最后显示的效果。如果在屏幕上显示的话,一般能达到1280乘1024的分辨率就不错了,通常通过Email或网站传播的照片因为数据量的限制,分辨率还要更低。如果打印的话,通常分辨率是每英寸300象素。所以如果打印整张纸(8乘11英寸)的话,需要的分辨率是2400乘3300。如果打印通常照片尺寸(4乘5英寸)的话,需要的分辨率是1200乘1500 。【注三】而现在中档相机的象素数可以达到4320乘3240 。可见,这样的分辨率只有在特别放大照片或拍完后裁减出局部等情况下才有意义。另一方面,在后期处理阶段可以把照片中的像素合并起来而提高其他性能(如提高动态范围或减小噪声)。当然这又涉及到图像处理的基本知识了。

另一个重要指标是灵敏度,也就是CCD能探测的最低光强度。灵敏度是由“暗电子”限制的。在没有光照的情况下,由于热运动和晶体中的缺陷,CCD内也会出现一些自由电子,称为暗电子。暗电子的数量与曝光时间成正比。只有光照产生的电子(光电子)数远远高于暗电子数时,我们才能精确地测量光强。科学仪器上用的CCD可以通过低温操作来减少暗电子数,提高灵敏度。但消费者用的照相机,暗电子的数量就基本上是物理和工艺所决定的了。在同样条件下,像素的面积越大,灵敏度就越高。(其中的原因这里就不说了。)所以高级的照相机用的CCD尺寸都比较大。当然,CCD越大,价格也就越贵。

灵敏度的反面是饱和光强。当入射光太强或曝光时间太长时,光电子数量太多,就会填满了像素的空间而漏到衬底中去。这样,读出的电信号就不会随着入射光的增加而继续增加。这就是饱和现象。如果以天空为背景拍人像,往往天上的云彩就没有层次。这就是饱和的缘故。饱和光强与最低光强的比值叫做动态范围。动态范围越大,拍出的照片从暗部到亮部的层次就越丰富。一般来说,CCD像素的面积越大,动态范围也就越大。早期的CCD元件还有散焦(blooming)现象,也就是一个特别亮的像素,它的光电子会溢出到邻近像素去,造成一个亮斑或一条亮线。比较新的产品应该没有这个问题了。

还有一个指标是噪声,也就是读出的数字与入射光量之间的误差。CCD有固定噪声和随机噪声。固定噪声是由背景信号(也就是前面说的暗电子)和光/电转换效率在像素之间的差别引起的。它是可以测量和预计的,所以可以通过算法来修正。【注四】随机噪声是感光过程和读出过程中产生的,不可预计的噪声。严重的时候,它会使得影像显得粗糙不清。

应该指出的是,对于家用的照相机来说,通常的性能列表都不直接给出CCD的参数。这是因为相机并不是直接输出CCD所读取的图像,而是对它进行了很多处理。例如,照相机可以提供高灵敏度(高ISO值)。而实际上这只是提高了读出电路的增益,而CCD则工作在低光条件下。所以这样照出的照片亮度虽然不错,但噪声很大。又如动态范围(每个像素的比特数)是由图像文档格式决定的,并不一定反映CCD的真正性能。有的照相机可连续以不同曝光时间连拍几张照片,然后把这些照片中曝光合适的像素拼成最后照片,这样可以达到非常高的动态范围。但是归根结底,这些处理都是在各种性能参数之间权衡,提高了一个就降低了另一个。只有采用了真正高性能的CCD元件,才能同时提高各种性能参数。所以要认真挑选相机的话,有必要弄清它所使用的CCD型号,去比较一下CCD本身的性能参数。

除了CCD以外,还有一种常用的感光元件称为CMOS感光元件。CMOS的感光原理与CCD相同,但读取方式不同。它不采用“传送带”的方式,而是每个像素有自己的读出电路。这种芯片本身比CCD复杂,但所需的外围电路(驱动电路)很简单,可以把整个照相机做在一个芯片上。在发展初期,CMOS的性能价格比不如CCD,只是用在一些特殊的场合。随着半导体制造工艺的发展,现在两者已经互有长短了。特别是在大面积的感光元件中,CMOS具有功耗低的优势。现在,CMOS也用在各种级别的数字照相机中。

CCD取代胶卷,不但使得我们拍摄和传播照片更为方便,还使得小型,低价的照相机成为可能。现在几乎所有电子装置如手机,掌上电脑等都带有照相机。照相机如此普及便捷,给我们的生活带来了很多新的机会和新的挑战。所以说CCD是改变人类生活的重大发明之一,一点也不过分。


【注一】 本图来自http://micro.magnet.fsu.edu/primer/digitalimaging/concepts/images/threephase.jpg
【注二】 本图来自http://en.wikipedia.org/wiki/File:Bayer_pattern_on_sensor.svg
【注三】 对于放得更大的照片,通常不需要每英寸300像素这样的分辨率,因为这些照片是用来远看的,人眼在远距离达不到这样的分辨率。
【注四】 暗电子的平均值虽然可以预计和修正,但在每一幅照片中实际的暗电子数量是有涨落的。所以暗电子仍然通过增加随机噪声而限制了灵敏度。

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