感光器件
提到数码相机，不得不说到就是数码相机的心脏——感光器件。与传统相机相比，传统
相机使用“胶卷”作为其记录信息的载体，而数码相机的“胶卷”就是其成像感光器件，而且是
与相机一体的，是数码相机的心脏。感光器是数码相机的核心，也是最关键的技术。数码相
机的发展道路，可以说就是感光器的发展道路。目前数码相机的核心成像部件有两种：一种
是广泛使用的 CCD（电荷藕合）元件；另一种是 CMOS（互补金属氧化物导体）器件。
一、CCD
大部分数码相机使用的感光元件是 CCD（Chagre Couled Device），它的中文名字叫电
荷耦合器，是一种特殊的半导体材料。他是由大量独立的光敏元件组成，这些光敏元件通常
是按矩阵排列的。光线透过镜头照射到 CCD 上，并被转换成电荷，每个元件上的电荷量取
决于它所受到的光照强度。当你按动快门，CCD 将各个元件的信息传送到模/数转换器上，
模拟电信号经过模/数转换器处理后变成数字信号，数字信号以一定格式压缩后存入缓存内，
此时一张数码照片诞生了。然后图像数据根据不同的需要以数字信号和视频信号的方式输
出。
目前主要有两种类型的 CCD 光敏元件，分别是线性 CCD 和矩阵性 CCD。线性 CCD 用于
高分辨率的静态照相机，它每次只拍摄图象的一条线，这与平板扫描仪扫描照片的方法相同。
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。因此在很多场
合不适用，不在今天我们讨论的范围里。
另一种是矩阵式 CCD，它的每一个光敏元件代表图象中的一个像素，当快门打开时，整
个图象一次同时曝光。通常矩阵式 CCD 用来处理色彩的方法有两种。一种是将彩色滤镜嵌
在 CCD 矩阵中，相近的像素使用不同颜色的滤镜。典型的有 G-R-G-B 和 C-Y-G-M 两种排列
方式。这两种排列方式成像的原理都是一样的。在记录照片的过程中，相机内部的微处理器
从每个像素获得信号，将相邻的四个点合成为一个像素点。该方法允许瞬间曝光，微处理器
能运算地非常快。这就是大多数数码相机 CCD 的成像原理。因为不是同点合成，其中包含
着数学计算，因此这种 CCD 最大的缺陷是所产生的图象总是无法达到如刀刻般的锐利。
另一种处理方法是使用三棱镜，他将从镜头射入的光分成三束，每束光都由不同的内置
光栅来过滤出某一种三原色，然后使用三块 CCD 分别感光。这些图象再合成出一个高分辨
率、色彩精确的图象。如 300 万像素的相机就是由三块 300 万像素的 CCD 来感光。也就是
可以做到同点合成，因此拍摄的照片清晰度相当高。该方法的主要困难在于其中包含的数据
太多。在你照下一张照片前，必须将存储在相机的缓冲区内的数据清除并存盘。因此这类相
机对其他部件的要求非常高，其价格自然也非常昂贵。
二、SUPER CCD
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。
将像素旋转 45 度排列的结果是可以缩小对图像拍摄无用的多余空间，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。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，颜色的再现也大幅改善，
电量消耗减少了许多。富士公司宣称 SUPER CCD 可与多 40%像素的传统 CCD 的分辨率相
媲美， SUPRE CCD 打破了以往 CCD 有效像素小于总像素的金科玉律，可以在 240 万像素
的 SUPER CCD 上输出 430 万像素的画面来。因此，富士公司和他们的 SUPER CCD 一推出
即在业界引起了广泛的关注。
在传统 CCD 上为了增加分辨率，大多数数码相机生产厂商对民用级产品采取的办法是不
增大 CCD 尺寸，降低单位像素面积，增加像素密度。我们知道单位像素的面积越小，其感
光性能越低，信噪比越低，动态范围越窄。因此这种方法不能无限制地增大分辨率。如果不
增加 CCD 面积而一味地提高分辨率，只会引起图象质量的恶化。但如果在增加 CCD 像素的
同时想维持现有的图象质量，就必须在至少维持单位像素面积不减小的基础上增大 CCD 的
总面积。但目前更大尺寸 CCD 加工制造比较困难，成品率也比较低，因此成本也一直降不
下来。
传统 CCD 中的每个像素由一个二极管、控制信号路径和电量传输路径组成。SUPER CCD
采用蜂窝状的八边二极管，原有的控制信号路径被取消了，只需要一个方向的电量传输路径
即可，感光二极管就有更多的空间。SUPER CCD 在排列结构上比普通 CCD 要紧密，此外
像素的利用率较高，也就是说在同一尺寸下，SUPER CCD 的感光二极管对光线的吸收程度
也比较高，使感光度、信噪比和动态范围都有所提高。
那为什么 SUPER CCD 的输出像素会比有效像素高呢？我们知道 CCD 对绿色不很敏感，
因此是以 G－B－R－G 来合成。各个合成的像素点实际上有一部分真实像素点是共用，因此
图象质量与理想状态有一定差距，这就是为什么一些高端专业级数码相机使用 3CCD 分别感
受 RGB 三色光的原因。而 SUPER CCD 通过改变像素之间的排列关系，做到了 R、G、B
像素相当，在合成像素时也是以三个为一组。因此传统 CCD 是四个合成一个像素点，其实
只要三个就行了，浪费了一个，而 SUPER CCD 就发现了这一点，只用三个就能合成一个像
素点。也就是说，CCD 每 4 个点合成一个像素，每个点计算 4 次；SUPER CCD 每 3 个点合
成一个像素，每个点也是计算 4 次，因此 SUPER CCD 像素的利用率较传统 CCD 高，生成
的像素就多了。
科学是要以事实来说话的，再有道理的理论没有事实基础还是一句空话。经过我们反复
对富士 SUPER CCD 的几款民用级数码相机试拍后发现，至少对民用级的 SUPER CCD 来说，
在其最大分辨率的图象质量并没有人们想象地那么好。除了色彩还原比较艳丽外，我们可以
在蓝天和暗部细节发现有明显的噪音信号，成像清晰度一般。这就说明 240 万像素的民用
级 SUPER CCD 无法达到其标称的 430 万输出像素。那么 240 万像素的 SUPER CCD 到底相
当于多少像素的 CCD 呢？根据上一段的陈述，我认为 SUPER CCD 对像素的利用率比 CCD
高 33％，因此其输出像素也应该比 CCD 高 33％。富士 FINEPIX 4900 的总像素为 240 万像
素，根据我的估算，它的输出像素大概相当于 320 万（240×133％＝320 万）。而 4900 标
称的输出尺寸是 430 万像素，那么这 110 万像素是怎么多出来的呢？我想可能是使用了插
值技术。这就可能是为什么我们在以 100％的尺寸看 SUPER CCD 拍摄的照片总不是很清楚
的原因了。如果要客观公正地对待使用 SUPER CCD 的 FINEPIX4900、FINEPIX4700 等相机
就应该将其看作一部 320 万像素的数码相机。
三、CMOS
我们对 CMOS 的认识是从去年佳能公司发布 EOS D30 的准专业级数码机身开始的。当
时许多业内人士都大吃一惊，对采用这种廉价的材料来做感光元件感到不可思议，认为
CMOS 的成像质量无法满足较高要求的专业用户的需要。那用 CMOS 做的感光元件在成像质
量上真的一无是处吗？还是让我们先来了解一下什么是 CMOS 吧。CMOS 即互补性金属氧化
物半导体，其在微处理器、闪存和 ASIC（特定用途集成电路）的半导体技术上占有绝对重
要的地位。CMOS 和 CCD 一样都可用来感受光线变化的半导体。CMOS 主要是利用硅和锗
这两种元素所做成的半导体，通过 CMOS 上带负电和带正电的晶体管来实现基本的功能的。
这两个互补效应所产生的电流即可被处理芯片纪录和解读成影像。
CMOS 针对 CCD 最主要的优势就是非常省电。不像由二极管组成的 CCD，CMOS 电路
几乎没有静态电量消耗，只有在电路接通时才有电量的消耗。这就使得 CMOS 的耗电量只
有普通 CCD 的 1/3 左右，这有助于改善人们心目中数码相机是”电老虎”的不良印象。我们
知道在佳能 EOS 系列 AF 相机上，CMOS 一直在测光对焦系统中使用。佳能在这方面有雄厚
的技术力量和丰富的经验。发展到今日已经比较容易地以较低的成本制造较大大尺寸的
CMOS 感光芯片，并且 CMOS 可以将影像处理电路集成在芯片上。CMOS 主要问题是在处理
快速变化的影像时，由于电流变化过于频繁而过热。暗电流抑制得好就问题不大，如果抑制
得不好就十分容易出现杂点。D30 有专门的回路控制暗电流，在长于 1 秒的曝光时降噪系
统会自动工作，可以从很大程度上降低噪点的产生。
此外，CMOS 与 CCD 的图像数据扫描方法有很大的差别。举个例子，如果分辨率为 300
万像素，那么 CCD 传感器可连续扫描 300 万个电荷，扫描的方法非常简单，就好像把水桶
从一个人传给另一个人，并且只有在最后一个数据扫描完成之后才能将信号放大。CMOS 传
感器的每个像素都有一个将电荷转化为电子信号的放大器。因此，CMOS 传感器可以在每个
像素基础上进行信号放大，采用这种方法可节省任何无效的传输操作，所以只需少量能量消
耗就可以进行快速数据扫描，同时噪音也有所降低。这就是佳能的像素内电荷完全转送技术。
我们通过 INTERNET 查看了大量由 CANON EOS D30 所拍摄的照片，发现 CMOS 的成像
效果一点也不比传统 CCD 差。这种能耗低、制造相对容易的感光芯片如果能在影像的锐利
度、动态范围等方面再做进一步的努力，相信 CMOS 是未来数码相机的发展方向。
四、Foveon X3
数码相机的发展远比想像中的要快的多，而影响期性能的感觉技术也不断的推陈出新。
现在数码相机的感光芯片大体分四种，即为 CCD、SUPER CCD、CMOS、Foveon X3，其中
CCD是现今数码相机采用最多的一种感光芯片，估计占有80%以上，其余的为CMOS、SUPER
CCD。
Foveon X3 技术是美国 Foveon 公司今年二月十一日公布的。如果按大类算的话，它应
该归属于 CMOS 图像感光技术，但它却不同于传统的 CMOS。传统的 CMOS 都是单像素提
供单原色的一种感光技术，而 X3 却是用单像素提供三原色的感光技术。
X3 的感光器如果要用什么东西来比喻一下，那就非拿银盐彩色胶片不可了。这种感光器
与银盐彩色胶片相似，由三层感光原素垂直叠在一起，据 Foveon 声称，同等像素的 X3 图
像感光器比传统 CCD 锐利两倍，并且能提供更丰富的彩色还原度以及避免采用 Bayer
Pattern 传统感光器所特有的色彩干扰。
此外，这种技术由于每个像素都能提供完整的三原色信息，把色彩信号组合成图像文件
的过程简单很多，降低了对图像处理的计算要求，并且采用 CMOS 半导体工艺的 X3 图像感
光器耗电要比传统 CCD 小。
X3 技术的另一个特点是虚拟像素尺寸-VPS（Virtual Pixel Size）。可以理解为把邻近的
像素信号组合成一个像素，比如说 2×2 或者 4×4，从而增加信噪比。这个特点可以应用于提
高感光度同时保持低噪音。此外使用 VPS 减低像素还可以加快从感光器提取信号的速度，
这对于摄像应用有帮助。
可以说未来数码相机的感光技术用的最多的应为 Foveon X3，这是因为它有诸多的优点
可以比拼其它感光技术。如耗电量、制造工艺简单、图像效果好等等。虽说短期内它不会很
快的被应用到各数码相机上来，但相信随着用户及厂商对相机图象质量的要求越来越高，最
后的王者终究会为 X3 所拿走。让我们期待着 X3 的普及吧，因为它会给我们带来更好的图
像质量。
