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  刷QB55 2006-12-22 00:00:00

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  zhu8957705 2006-12-22 00:00:00

  　　CCD是CCD數(shù)碼相機(jī)的核心零件，了解CCD技術(shù)的發(fā)展歷史有助于我們加深對(duì)數(shù)碼相機(jī)的認(rèn)識(shí)，對(duì)于提高我們的拍攝技術(shù)和選購(gòu)到一款性價(jià)比高的數(shù)碼相機(jī)有著重要的意義。 　　由于索尼和富士的CCD做得較為出色，所以，我們這里著重介紹一下它們的CCD技術(shù)發(fā)展歷程。如果你是IT從業(yè)者或是IT廠商老總，看完之后就要好好反醒一下自己應(yīng)該向日本的IT企業(yè)學(xué)點(diǎn)什么？為什么現(xiàn)在的索尼迷、富士迷那么的多？這僅僅是因?yàn)樗麄兊氖袌?chǎng)做得好？銷售渠道做得好嗎？學(xué)學(xué)人家的踏實(shí)作風(fēng)、人家的戰(zhàn)略目光、人家艱苦奮斗的精神吧！ 　　注意：本文對(duì)數(shù)碼相機(jī)和數(shù)碼攝像機(jī)使用高手或與該領(lǐng)域相關(guān)的專業(yè)人士的參考作用較大。 　　一、索尼CCD技術(shù)發(fā)展歷程 　　由于CCD的生產(chǎn)工藝復(fù)雜，因此至今為止，世界上只有索尼、富士、柯達(dá)、菲利蒲、松下和夏普6家廠商可以批量生產(chǎn)，而其中Z主要的供商是索尼。索尼是一間Z早從事CCD制造的廠商，從70年代就開始研發(fā)CCD了，它從開始生產(chǎn)CCD至今累積計(jì)算，生產(chǎn)量已超越了1億片以上，以50％的市場(chǎng)占有率成為CCD市場(chǎng)領(lǐng)導(dǎo)廠商。下面是索尼CCD技術(shù)發(fā)展簡(jiǎn)史。 　　1969年，美國(guó)的貝爾電話研究所發(fā)明了CCD。它是一個(gè)將“光”的信息轉(zhuǎn)換成“電”的信息的魔術(shù)師。當(dāng)時(shí)的索尼公司開發(fā)團(tuán)隊(duì)中，有一個(gè)叫越智成之的年輕人對(duì) CCD非常感興趣，開始了對(duì)CCD的研究。但是由于這項(xiàng)研究距離商品化還遙遙無(wú)期，所以越智成之只能默默地獨(dú)自進(jìn)行研究。1973年，一個(gè)獨(dú)具慧眼的經(jīng)營(yíng)者——時(shí)任索尼公司副社長(zhǎng)的巖間發(fā)現(xiàn)了越智的研究，非常興奮地說道：“這才應(yīng)該是由索尼半導(dǎo)體部門完成的課題！好，我們就培育這棵苗！”當(dāng)時(shí)的越智僅僅實(shí)現(xiàn)了用64像素畫了一個(gè)粗糙的“S”。然而，巖間撂了一句讓越智大惑不解的話：“用CCD造攝像機(jī)。我們的對(duì)手不是電器廠商，而是膠片廠商伊斯特曼·柯達(dá)！”當(dāng)時(shí)的索尼和柯達(dá)可以說是風(fēng)馬牛不相及，為什么對(duì)手會(huì)是柯達(dá)？時(shí)間過去了近40年后的今天，當(dāng)索尼推出使用800萬(wàn)像素的F828數(shù)碼相機(jī)步入市場(chǎng)的時(shí)候，謎底終于揭穿了，巖間說的是“要以超過柯達(dá)的膠卷照片的圖像質(zhì)量為目標(biāo)搞CCD開發(fā)！” 　　巖間是那種有遠(yuǎn)見的經(jīng)營(yíng)者，索尼開始引進(jìn)晶體管時(shí)，站在diyi線指揮的就是巖間，他親自到美國(guó)考察，從美國(guó)不斷地發(fā)回技術(shù)報(bào)告，靠著這些報(bào)告，索尼前身的東京通信工業(yè)生產(chǎn)出了晶體管，成長(zhǎng)為世界yi流的半導(dǎo)體廠家。當(dāng)時(shí)，CCD只是實(shí)驗(yàn)室里的東西，誰(shuí)也沒有想到它能成為商品。因?yàn)榘凑债?dāng)時(shí)的技術(shù)水平，人們普遍認(rèn)為：運(yùn)用大規(guī)模的集成電路技術(shù)、wan美無(wú)缺地生產(chǎn)在一個(gè)集成塊上具有10萬(wàn)元件以上的CCD，幾乎是不可能的。一般的企業(yè)在搞清這個(gè)情況以后就從研究中撤了下來(lái)。但巖間卻不這么認(rèn)為，他的結(jié)論是：“正因?yàn)闄C(jī)會(huì)誰(shuí)都沒有動(dòng)手搞，我們才要搞！” 　　這在當(dāng)時(shí)是一種邊沿的研究，溫吞水的努力是難以奏效的。而且，這還是一項(xiàng)很費(fèi)錢的研究，據(jù)說從開發(fā)階段直到實(shí)現(xiàn)商品化，索尼花在CCD上的錢高達(dá)200億日元。項(xiàng)目研究雖然只花了30億日元，但因?yàn)镃CD的加工制造需要大量專有技術(shù)，實(shí)現(xiàn)大量生產(chǎn)時(shí)的技術(shù)積累過程難度Z大，所以這方面投下了170億日元。因此，這個(gè)項(xiàng)目如果沒有的經(jīng)營(yíng)者的支持根本辦不到。巖間曾任索尼的美國(guó)分社長(zhǎng)，回到日本索尼以后擔(dān)任副社長(zhǎng)兼索尼ZY研究所的所長(zhǎng)。據(jù)索尼開發(fā)團(tuán)隊(duì)帶頭人木原的回憶：“回國(guó)Z初，巖間視察了ZY研究所的全體，隨著時(shí)間的過去，他的關(guān)心逐漸移到了CCD開發(fā)方面。大家注意到他一天之中有一半是在從事CCD研究的越智成之身旁度過的。到了1973年11月，CCD終于立了項(xiàng)，成立了以越智為ZX的開發(fā)團(tuán)隊(duì)?！? 　　在全公司的支援下，開發(fā)團(tuán)隊(duì)克服重重困難，終于在1978年3月制造出了被人認(rèn)為“不可能的”、在一片電路板上裝有11萬(wàn)個(gè)元件的集成塊。以后，又花了2年的歲月去提高圖像質(zhì)量，終于造出了世界上diyi個(gè)CCD彩色攝像機(jī)。在這個(gè)基礎(chǔ)上再改進(jìn)，首次實(shí)現(xiàn)了CCD攝像機(jī)的商品化。當(dāng)時(shí)，CCD的成品率非常低，每100個(gè)里面才有一個(gè)合格的，生產(chǎn)線全開工運(yùn)轉(zhuǎn)一周也只能生產(chǎn)一塊。有人開玩笑說：這哪里是合格率，這簡(jiǎn)直就是發(fā)生率！索尼接到全日空13臺(tái)CCD攝像機(jī)的訂單，其中用的CCD集成塊的生產(chǎn)足足花了一年。 　　1980年1月，升任社長(zhǎng)的巖間又給了開發(fā)團(tuán)隊(duì)新的目標(biāo)：“開發(fā)使用CCD技術(shù)的錄像錄音一體化的攝像機(jī)”。又是苦斗，經(jīng)過了公布樣品、統(tǒng)一規(guī)格、CCD攝像機(jī)開發(fā)團(tuán)隊(duì)和普通攝像機(jī)開發(fā)團(tuán)隊(duì)的攜手大奮戰(zhàn)，1985年終于誕生了diyi部8毫米攝像機(jī)“CCD-V8”。從開始著手CCD的研究，直到生產(chǎn)出diyi臺(tái)8毫米CCD攝像機(jī)，已經(jīng)經(jīng)歷了15年的歲月了。 　　從CCD開發(fā)到數(shù)碼攝像機(jī)的商品化，僅僅是一個(gè)開端。真正實(shí)現(xiàn)與光學(xué)相機(jī)相匹敵的圖像質(zhì)量，還有很長(zhǎng)的路要走。數(shù)碼相機(jī)上Z初使用的CCD雖然是將錄像機(jī)專用品轉(zhuǎn)用的，但是很快在數(shù)碼相機(jī)專用CCD方面出現(xiàn)了“像素競(jìng)爭(zhēng)”，靜止畫面用CCD質(zhì)量迅速地提高了。 　　以下是索尼公司進(jìn)入80年代后，以年代為順序，在CCD傳感器技術(shù)方面的發(fā)展簡(jiǎn)介： 　　1、HAD感測(cè)器（80年代初期） 　　HAD（HOLE-ACCUMULATION DIODE）傳感器是在N型基板，P型，N+2極體的表面上，加上正孔蓄積層，這是SONY獨(dú)特的構(gòu)造。由于設(shè)計(jì)了這層正孔蓄積層，可以使感測(cè)器表面常有的暗電流問題獲得解決。另外，在N型基板上設(shè)計(jì)電子可通過的垂直型隧道，使得開口率提高，換句換說，也提高了感度。在80年代初期，索尼將其lingxian使用在INTERLINE方式的可變速電子快門產(chǎn)品中，即使在拍攝移動(dòng)快速的物體也可獲得清晰的圖像。 　　2、ON-CHIP MICRO LENS（80年代后期） 　　80年代后期，因?yàn)镃CD中每一像素的縮小，將使得受光面積減少，感度也將變低。為改善這個(gè)問題，索尼在每一感光二極管前裝上經(jīng)特別制造的微小鏡片，這種鏡片可增大CCD的感光面積，因此，使用該微小鏡片后，感光面積不再因?yàn)楦袦y(cè)器的開口面積而決定，而是以該微小鏡片的表面積來(lái)決定。所以在規(guī)格上提高了開口率，也使感亮度因此大幅提升。 　　3、SUPER HAD CCD（90年代中期） 　　進(jìn)入90年代中期后，CCD技術(shù)得到了迅猛發(fā)展，同時(shí)，CCD的單位面積也越來(lái)越小，受CCD面積限制，索尼1989年開發(fā)的微小鏡片技術(shù)已經(jīng)無(wú)法再提升CCD的感亮度了，而如果將CCD組件內(nèi)部放大器的放大倍率提升，將會(huì)使雜訊同時(shí)提高，成像質(zhì)量就會(huì)受到較大的影響。為了解決這一問題，索尼將以前在CCD上使用的微小鏡片的技術(shù)進(jìn)行了改良，提升光利用率，開發(fā)將鏡片的形狀Z優(yōu)化技術(shù)，即索尼 SUPER HAD CCD技術(shù)。這一技術(shù)的改進(jìn)使索尼CCD在感覺性能方面得到了進(jìn)一步的提升。 　　4、NEW STRUCTURE CCD（1998年） 　　在攝影機(jī)光學(xué)鏡頭的光圈F值不斷的提升下，進(jìn)入到攝影機(jī)內(nèi)的斜光就越來(lái)越多，但更多的鈄光并不能百分bai地入射到CCD傳感器上，從而使CCD的感光度受到限制。在1998年時(shí)，索尼公司就注意到這一問題對(duì)成像質(zhì)量所帶來(lái)的負(fù)面效果，并進(jìn)行了技術(shù)公關(guān)。為改善這個(gè)問題，他們將彩色濾光片和遮光膜之間再加上一層內(nèi)部的鏡片。加上這層鏡片后可以改善內(nèi)部的光路，使斜光也可以完全地被聚焦到CCD感光器上，而且同時(shí)將硅基板和電極間的絕緣層薄膜化，讓會(huì)造成垂直CCD畫面雜訊的訊號(hào)不會(huì)進(jìn)入，使SMEAR特性改善。 　　5、EXVIEW HAD CCD（1999年） 　　比可視光波長(zhǎng)更長(zhǎng)的紅外線光，會(huì)在半導(dǎo)體硅芯片內(nèi)做光電變換?？墒侵廉?dāng)前為止，CCD無(wú)法將這些光電變換后的電荷，以有效的方法收集到感測(cè)器內(nèi)。為此，索尼在1999年新開發(fā)的“EXVIEW HAD CCD”技術(shù)就可以將以前未能有效利用的近紅外線光，有效轉(zhuǎn)換成為映像資料而用。使得可視光范圍擴(kuò)充到紅外線，讓感亮度能大幅提高。利用“EXVIEW HAD CCD”組件時(shí)，在黑暗的環(huán)境下也可得到高亮度的照片。而且之前在硅晶板深層中做的光電變換時(shí)，會(huì)漏出到垂直CCD部分的SMEAR成分，也可被收集到傳感器內(nèi)，所以影響畫質(zhì)的雜訊也會(huì)大幅降低。 　　從開始生產(chǎn)CCD累積計(jì)算，索尼的生產(chǎn)量已超越了1億個(gè)以上。未來(lái)索尼公司將積極降低產(chǎn)品消耗電力，減少驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜度，減少IC PIN腳數(shù)以及減輕電子產(chǎn)品對(duì)地球生態(tài)環(huán)境負(fù)擔(dān)為目標(biāo)，研發(fā)設(shè)計(jì)新型的CCD組件。在CCD的應(yīng)用越來(lái)越多樣化的趨勢(shì)下，加強(qiáng)CCD的小型化及高像素化的基本特性，以提供更有魅力的高附加價(jià)值的產(chǎn)品來(lái)滿足用戶的要求。 　　6、四色濾光技術(shù)（2003年7月） 　　2003年7月16日，Sony公司正式宣布將會(huì)在自己全新的消費(fèi)級(jí)CCD產(chǎn)品上采用全新的四色濾光技術(shù)，現(xiàn)在，Sony高達(dá)800萬(wàn)像素的F828數(shù)碼相機(jī)產(chǎn)品就是采用了此類全新CCD設(shè)計(jì)生產(chǎn)的。 　　我們知道，傳統(tǒng)的感光無(wú)非紅綠藍(lán)RGB三色，數(shù)碼相機(jī)所應(yīng)用的CCD/CMOS感光單元是采用彩色濾光片原理，每個(gè)像素各感應(yīng)不同的顏色，然后再將這些顏色重新組合成一個(gè)有效像素。而全新的四色濾光標(biāo)準(zhǔn)則被稱為RGBE，相對(duì)RGB而言，全新的E被Sony認(rèn)為是一種亮藍(lán)色標(biāo)準(zhǔn)，這里的E就是英文祖母綠單詞Emerald的縮寫（看上去應(yīng)該算是青綠色）。Sony認(rèn)為全新的四色濾光技術(shù)將會(huì)更加接近于人眼自然色彩識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)，從而能夠達(dá)到更為真實(shí)的色彩還原標(biāo)準(zhǔn)，在RGBE技術(shù)發(fā)布的同時(shí)，Sony也同期公布了一種全新的圖像處理模塊以配合全新的四色濾光CCD模塊。配合全新的RGBE技術(shù)和全新的圖像處理模塊，新一代的RGBE CCD模塊可以將數(shù)碼相機(jī)在色彩還原上的錯(cuò)誤降低至少一半，而數(shù)碼相機(jī)在藍(lán)綠、紅色方面的還原生成效果也將同時(shí)得到加強(qiáng)。另外，全新的圖像處理單元也會(huì)在能耗方面作相應(yīng)的優(yōu)化，相對(duì)從前配合RGB技術(shù)所采用的圖像處理模塊可以節(jié)省至少30%的能耗，當(dāng)然全新的圖像處理單元更會(huì)有效提升數(shù)碼相機(jī)的拍攝速度和回放速度，Sony認(rèn)為整個(gè)全新的RGBE模塊設(shè)計(jì)將整體提升現(xiàn)有數(shù)碼相機(jī)產(chǎn)品的性能表現(xiàn)。 　　二、富士超級(jí)CCD的發(fā)展歷程 　　富士雖然沒有索尼那么雄厚的CCD研發(fā)實(shí)力，其CCD的研發(fā)歷程也沒索尼長(zhǎng)，但它的超級(jí)CCD卻有著非常獨(dú)特之處。 　　富士的超級(jí)CCD（Super CCD）技術(shù)發(fā)展于1999年。直至今天為止，市面上大多數(shù)的數(shù)碼相機(jī)采用的都是矩陣式CCD做傳感器，這種CCD的缺點(diǎn)是像素與CCD的面積產(chǎn)生了矛盾，因?yàn)橐岣哂跋褓|(zhì)量就必須增加CCD的像素，因此在CCD尺寸一定的情況下，增加像素就意味著要縮小像素中的光電二極管。我們知道單位像素的面積越小，其感光性能越低，信噪比越低，動(dòng)態(tài)范圍越窄，因此這種方法不能無(wú)限制地增大分辨率，所以，如果不增加CCD面積而一味地提高分辨率，只會(huì)引起圖像質(zhì)量的惡化。但如果在增加CCD像素的同時(shí)想維持現(xiàn)有的圖像質(zhì)量，就必須在至少維持單位像素面積不減小的基礎(chǔ)上增大CCD的總面積。而直至今天為止，更大尺寸CCD加工制造都還比較困難，成品率也比較低，因此成本也一直降不下來(lái)，這一矛盾對(duì)于CCD而言是難以克服的。在1999年時(shí)，富士公司就注意到了這一點(diǎn)，為了解決這一問題，他們研制出了diyi代超級(jí)CCD。超級(jí)CCD采用八角形的光電二極管和蜂窩狀的像素排列，這樣就大大改善了每個(gè)像素單元中的光電二極管的空間有效性。其像素按45度角排列為蜂窩狀后，控制信號(hào)通路被取消，節(jié)省下的空間使光電二極管得以增大，而八角形的光電二極管因更接近微透鏡的圓形，從而可以比矩形光電二極管更有效的吸收光。光電二極管的加大和光吸收效率的提高使每個(gè)像素的吸收電荷增加，從而提高了CCD的感光度和信噪比，因此，相對(duì)于有同樣數(shù)量像素的傳統(tǒng)CCD而言，它有更高的靈敏度、更高的信號(hào)噪聲比和更廣泛的動(dòng)態(tài)范圍； 　　2001年，diyi代超級(jí)CCD榮獲了授予CCD的固體攝像元件研究成果的 “沃爾特.科索諾基獎(jiǎng)”； 　　第二代超級(jí)CCD誕生于2001年。它的像素?cái)?shù)比diyi代超級(jí)CCD提高了很多，噪音也大大降低，拍出的圖像銳度更高。這項(xiàng)技術(shù)獲得到了很高的評(píng)價(jià)，在圖像品質(zhì)和細(xì)節(jié)方面做出了突破； 　　第三代超級(jí)CCD誕生于2002年，它以實(shí)現(xiàn)ISO1600和以30幅每秒的速率拍攝VGA電影為特征，采用了新的圖像處理算法和芯片技術(shù)； 　　第四代超級(jí)CCD誕生于2003年。2003年年初，在英國(guó)，富士在舉辦的一次新聞發(fā)布會(huì)上發(fā)布了有關(guān)Super CCD SR/HR技術(shù)的內(nèi)容，這也是Super CCD技術(shù)的第四代衍生產(chǎn)物。在2003年3月初，在美國(guó)拉斯維加斯舉辦的PMA 2003年的展會(huì)中，富士公司則展示了其應(yīng)用第四代Super CCD技術(shù)的數(shù)碼相機(jī)—Finepix F700。它的問世宣布了富士的第四代Super CCD技術(shù)正式進(jìn)入普及應(yīng)用階段。 　　全新的Super CCD SR技術(shù)的SR含義在于“Super Dynamic Range”，這種技術(shù)可以在現(xiàn)有的傳統(tǒng)CCD技術(shù)上提升兩倍甚至更高的動(dòng)態(tài)延伸效果，Super CCD SR的概念是在CCD傳感器的表面每個(gè)微透鏡上都帶有兩個(gè)光敏二極管，其中一個(gè)負(fù)責(zé)捕捉較為敏感的黑色以及正常光線標(biāo)準(zhǔn)下的信號(hào)，而另一個(gè)則負(fù)責(zé)捕捉亮度更高的區(qū)域部分信號(hào)，兩個(gè)光敏二極管分別捕捉的光信號(hào)再通過相機(jī)合成為一張完整的照片，從而提供了超越普通CCD多達(dá)二檔光圈的驚人動(dòng)態(tài)響應(yīng)。 　　Super CCD SR技術(shù)將CCD的動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展到了接近普通傳統(tǒng)負(fù)片膠卷的水平，意味著裝備富士Super CCD SR技術(shù)的數(shù)碼相機(jī)按光線極弱或極強(qiáng)的環(huán)境下都可以拍攝到清晰的畫面。富士認(rèn)為現(xiàn)有的負(fù)片技術(shù)是由多層不同標(biāo)準(zhǔn)感光實(shí)現(xiàn)的，并且還能夠提供非常廣的動(dòng)態(tài)延伸范圍，而Super CCD SR技術(shù)也正是針對(duì)這樣的效果進(jìn)行設(shè)計(jì)的，并且效仿負(fù)片的感光方式通過兩個(gè)光敏二極管提供不同的感光標(biāo)準(zhǔn)。 　　富士的Super CCD技術(shù)從誕生到現(xiàn)在一直都是褒貶不一的，實(shí)際一點(diǎn)地說Super CCD能夠?qū)崿F(xiàn)成像像素的有效提高，但是在細(xì)節(jié)表現(xiàn)和成像效果上一直遭到專業(yè)眼光的懷疑和貶低。富士全新的Super CCD SR技術(shù)在很大一方面就是針對(duì)現(xiàn)有的Super CCD技術(shù)進(jìn)行的修正和補(bǔ)充，有效提高成像像素的同時(shí)在細(xì)節(jié)和成像質(zhì)量上加以優(yōu)化，這樣才能真正滿足消費(fèi)者日以挑剔的需求。

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