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閒談CCD |
2010-02-19 18:29:19 |
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你知道什麼是“電荷耦合器件”（Charge Coupled Device）嗎？如果你擁有一台攝像機或數字照相機，這個有着奇怪名字的元件就在為你效勞。不過人們通常以縮寫來稱呼它：CCD。CCD能把光學影像轉換成電子信號。不僅是攝像機，照相機這些家用電器中CCD唱着主角，而且在天文望遠鏡和很多科學儀器中也有它的身影。
CCD的原理，要從半導體談起。我們都知道，固體分為絕緣體，導體和半導體。在固體中，有一部分電子不是束縛在某個原子的周圍，而是在整個固體中間“遊蕩”。但這些電子可能的狀態是有限的，而且每個狀態最多只能有一個電子占據。這就好像一個電影院，觀眾可以任意調換座位，但一個座位不能擠兩個人。導體，就好像電影院裡有空位。這樣觀眾通過換座位就能跑來跑去，我們就會看到電子的移動，也就是電流。絕緣體，就是觀眾正好坐滿了全部座位。這樣大家都動不了，也就不會有電流。半導體呢，它和絕緣體一樣也沒有空位子。但是觀眾比較容易站起來，就有了可以自由移動的人和空着的位置。因為這個差別，半導體就有了很多奇妙的性質。
CCD感光是利用了半導體的光電效應。當電子吸收光子時，就會得到附加能量而跳入高能級，相當於觀眾從座位上站起來。如果有外加電場的話，那些“獲得自由”的觀眾會被拉到別處而與“空椅子”分離，就不能再坐下來。所以，入射光會在半導體裡產生自由電子，其數量與光強（更嚴格地說是光子數）成正比。這就是半導體的光電效應。最普通的半導體材料是硅。從紅外到可見光到紫外線都能在硅中產生光電效應。
所以，基本的半導體影像感受器件是這樣的：在半導體材料中通過一定的內部構造和電極，把表面分成一個個小格子，稱為“像素”（pixel）。電子不能隨便跑到別的像素去。在曝光後，每個像素中的電子數量就正比於接受的光強度。這樣，只要把這些電子的數量讀取出來，就能重現光的影像了。
但是一個感受器可以有上百萬個像素。如果每個像素都有一套讀取電路，整個器件就會很複雜。CCD的聰明之處，就在於一種“傳送帶”式的讀取方式。在CCD器件中，像素之間的電子隔離是由一些電極控制的。通過加上適當的電壓，可以把一個像素中的電子轉移到相鄰的像素。這樣，每個像素既在曝光時擔任收集光電子的功能，又在讀取時扮演“傳送帶”的角色。通過像素之間的“接力”，最終把每個像素收集到的光電子送到讀取電路，轉化成電壓。這種“串行”的讀取方式花的時間長（每個時鐘周期只能讀取一個像素），但只需要一個讀取電路，對早期的半導體製造水平來說是決定性的優勢。下面的圖就是這個電荷轉移的過程的一個例子。【注一】這裡，一個像素里的電子，通過三步轉移，到達下一個像素。
但是如果在電荷傳送的過程中繼續曝光，同樣的光信號就會被記錄在代表不同像素的“電荷包”中，而導致影像模糊。這個問題由一個叫做“幀轉移（Frame Transfer）”的技術來解決。在CCD芯片上，製造兩個同樣的像素區。一個用來感光，另一個則被遮光材料屏蔽起來。在讀取時，感光產生的電子被並行地（一步）轉移到第二個像素區，然後再用串行的方法慢慢讀出來。在這同時，第一個像素區又可以對下一幅影像曝光了。還有一個辦法，就是把這兩個像素區一行隔一行地排列。這樣兩個區之間的轉移就更快。這種結構叫做“行間轉移（interline）”。除了轉移更快（從而可以支持更高速度的電子快門）以外，行間轉移還有個好處就是芯片只要與曝光區域一樣大就行了，而不需要製造另一個專門的影像儲存區域而增加成本。當然，在曝光區只有一半的面積真正接受光信號，另一半面積是被屏蔽掉的。為了增加採光效率，很多產品在芯片表面加上微透鏡陣列，把入射光聚焦到感光的區域去。這樣採光效率可以相當於全面積的90%了。
CCD本身並不能感受彩色。為了記錄彩色圖像，我們使用與現有彩色電視同樣的方法，即使用紅，綠，藍三種原色的組合來重現顏色。在記錄影像時，可以有兩種方法。一種是用分光稜鏡的方法把三種原色成分投射到三個CCD感光器件上。另一種是在同一個CCD芯片上，在不同像素上加上不同的濾色片，讓它們記錄不同原色的光強。下圖就顯示一種常用的濾色片排列方式。【注二】近年來還出現了一種新技術稱為Foveon。 它利用各種顏色的光在硅材料中穿透深度不同，製作三層感光區來收集三種原色的光。
以上介紹了CCD的基本工作原理。作為消費者，最關心的還是最後的成像質量了。那麼CCD的哪些指標會影響到照相機和攝像機的成像質量呢？
最廣為人知的指標，就是分辨率了。分辨率就是CCD上像素的數量，可以按長，寬來標定（如3072乘2304）或總數（如7兆）。圖像的細節是靠像素來記錄的。所以像素數量越大，能記錄的細節也越多。但是最終的分辨率還與光學系統（鏡頭）的質量有關。所以對於便宜的照相機，鏡頭的質量不會很好，追求CCD的高像素數就沒有太大意義。另一方面，我們還要看照片最後顯示的效果。如果在屏幕上顯示的話，一般能達到1280乘1024的分辨率就不錯了，通常通過Email或網站傳播的照片因為數據量的限制，分辨率還要更低。如果打印的話，通常分辨率是每英寸300象素。所以如果打印整張紙（8乘11英寸）的話，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）的話，需要的分辨率是1200乘1500 。【注三】而現在中檔相機的象素數可以達到4320乘3240 。可見，這樣的分辨率只有在特別放大照片或拍完後裁減出局部等情況下才有意義。另一方面，在後期處理階段可以把照片中的像素合併起來而提高其他性能（如提高動態範圍或減小噪聲）。當然這又涉及到圖像處理的基本知識了。
另一個重要指標是靈敏度，也就是CCD能探測的最低光強度。靈敏度是由“暗電子”限制的。在沒有光照的情況下，由於熱運動和晶體中的缺陷，CCD內也會出現一些自由電子，稱為暗電子。暗電子的數量與曝光時間成正比。只有光照產生的電子（光電子）數遠遠高於暗電子數時，我們才能精確地測量光強。科學儀器上用的CCD可以通過低溫操作來減少暗電子數，提高靈敏度。但消費者用的照相機，暗電子的數量就基本上是物理和工藝所決定的了。在同樣條件下，像素的面積越大，靈敏度就越高。（其中的原因這裡就不說了。）所以高級的照相機用的CCD尺寸都比較大。當然，CCD越大，價格也就越貴。
靈敏度的反面是飽和光強。當入射光太強或曝光時間太長時，光電子數量太多，就會填滿了像素的空間而漏到襯底中去。這樣，讀出的電信號就不會隨着入射光的增加而繼續增加。這就是飽和現象。如果以天空為背景拍人像，往往天上的雲彩就沒有層次。這就是飽和的緣故。飽和光強與最低光強的比值叫做動態範圍。動態範圍越大，拍出的照片從暗部到亮部的層次就越豐富。一般來說，CCD像素的面積越大，動態範圍也就越大。早期的CCD元件還有散焦（blooming）現象，也就是一個特別亮的像素，它的光電子會溢出到鄰近像素去，造成一個亮斑或一條亮線。比較新的產品應該沒有這個問題了。
還有一個指標是噪聲，也就是讀出的數字與入射光量之間的誤差。CCD有固定噪聲和隨機噪聲。固定噪聲是由背景信號（也就是前面說的暗電子）和光/電轉換效率在像素之間的差別引起的。它是可以測量和預計的，所以可以通過算法來修正。【注四】隨機噪聲是感光過程和讀出過程中產生的，不可預計的噪聲。嚴重的時候，它會使得影像顯得粗糙不清。
應該指出的是，對於家用的照相機來說，通常的性能列表都不直接給出CCD的參數。這是因為相機並不是直接輸出CCD所讀取的圖像，而是對它進行了很多處理。例如，照相機可以提供高靈敏度（高ISO值）。而實際上這只是提高了讀出電路的增益，而CCD則工作在低光條件下。所以這樣照出的照片亮度雖然不錯，但噪聲很大。又如動態範圍（每個像素的比特數）是由圖像文檔格式決定的，並不一定反映CCD的真正性能。有的照相機可連續以不同曝光時間連拍幾張照片，然後把這些照片中曝光合適的像素拼成最後照片，這樣可以達到非常高的動態範圍。但是歸根結底，這些處理都是在各種性能參數之間權衡，提高了一個就降低了另一個。只有採用了真正高性能的CCD元件，才能同時提高各種性能參數。所以要認真挑選相機的話，有必要弄清它所使用的CCD型號，去比較一下CCD本身的性能參數。
除了CCD以外，還有一種常用的感光元件稱為CMOS感光元件。CMOS的感光原理與CCD相同，但讀取方式不同。它不採用“傳送帶”的方式，而是每個像素有自己的讀出電路。這種芯片本身比CCD複雜，但所需的外圍電路（驅動電路）很簡單，可以把整個照相機做在一個芯片上。在發展初期，CMOS的性能價格比不如CCD，只是用在一些特殊的場合。隨着半導體製造工藝的發展，現在兩者已經互有長短了。特別是在大面積的感光元件中，CMOS具有功耗低的優勢。現在，CMOS也用在各種級別的數字照相機中。
CCD取代膠捲，不但使得我們拍攝和傳播照片更為方便，還使得小型，低價的照相機成為可能。現在幾乎所有電子裝置如手機，掌上電腦等都帶有照相機。照相機如此普及便捷，給我們的生活帶來了很多新的機會和新的挑戰。所以說CCD是改變人類生活的重大發明之一，一點也不過分。
【注一】 本圖來自http://micro.magnet.fsu.edu/primer/digitalimaging/concepts/images/threephase.jpg
【注二】 本圖來自http://en.wikipedia.org/wiki/File:Bayer_pattern_on_sensor.svg
【注三】 對於放得更大的照片，通常不需要每英寸300像素這樣的分辨率，因為這些照片是用來遠看的，人眼在遠距離達不到這樣的分辨率。
【注四】 暗電子的平均值雖然可以預計和修正，但在每一幅照片中實際的暗電子數量是有漲落的。所以暗電子仍然通過增加隨機噪聲而限制了靈敏度。
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