关于CCD技术的书

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  刷QB55 2006-12-22 00:00:00

  闭路电视监控实用教程

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  zhu8957705 2006-12-22 00:00:00

  　　CCD是CCD数码相机的核心零件，了解CCD技术的发展历史有助于我们加深对数码相机的认识，对于提高我们的拍摄技术和选购到一款性价比高的数码相机有着重要的意义。 　　由于索尼和富士的CCD做得较为出色，所以，我们这里着重介绍一下它们的CCD技术发展历程。如果你是IT从业者或是IT厂商老总，看完之后就要好好反醒一下自己应该向日本的IT企业学点什么？为什么现在的索尼迷、富士迷那么的多？这仅仅是因为他们的市场做得好？销售渠道做得好吗？学学人家的踏实作风、人家的战略目光、人家艰苦奋斗的精神吧！ 　　注意：本文对数码相机和数码摄像机使用高手或与该领域相关的专业人士的参考作用较大。 　　一、索尼CCD技术发展历程 　　由于CCD的生产工艺复杂，因此至今为止，世界上只有索尼、富士、柯达、菲利蒲、松下和夏普6家厂商可以批量生产，而其中Z主要的供商是索尼。索尼是一间Z早从事CCD制造的厂商，从70年代就开始研发CCD了，它从开始生产CCD至今累积计算，生产量已超越了1亿片以上，以50％的市场占有率成为CCD市场领导厂商。下面是索尼CCD技术发展简史。 　　1969年，美国的贝尔电话研究所发明了CCD。它是一个将“光”的信息转换成“电”的信息的魔术师。当时的索尼公司开发团队中，有一个叫越智成之的年轻人对 CCD非常感兴趣，开始了对CCD的研究。但是由于这项研究距离商品化还遥遥无期，所以越智成之只能默默地独自进行研究。1973年，一个独具慧眼的经营者——时任索尼公司副社长的岩间发现了越智的研究，非常兴奋地说道：“这才应该是由索尼半导体部门完成的课题！好，我们就培育这棵苗！”当时的越智仅仅实现了用64像素画了一个粗糙的“S”。然而，岩间撂了一句让越智大惑不解的话：“用CCD造摄像机。我们的对手不是电器厂商，而是胶片厂商伊斯特曼·柯达！”当时的索尼和柯达可以说是风马牛不相及，为什么对手会是柯达？时间过去了近40年后的今天，当索尼推出使用800万像素的F828数码相机步入市场的时候，谜底终于揭穿了，岩间说的是“要以超过柯达的胶卷照片的图像质量为目标搞CCD开发！” 　　岩间是那种有远见的经营者，索尼开始引进晶体管时，站在diyi线指挥的就是岩间，他亲自到美国考察，从美国不断地发回技术报告，靠着这些报告，索尼前身的东京通信工业生产出了晶体管，成长为世界yi流的半导体厂家。当时，CCD只是实验室里的东西，谁也没有想到它能成为商品。因为按照当时的技术水平，人们普遍认为：运用大规模的集成电路技术、wan美无缺地生产在一个集成块上具有10万元件以上的CCD，几乎是不可能的。一般的企业在搞清这个情况以后就从研究中撤了下来。但岩间却不这么认为，他的结论是：“正因为机会谁都没有动手搞，我们才要搞！” 　　这在当时是一种边沿的研究，温吞水的努力是难以奏效的。而且，这还是一项很费钱的研究，据说从开发阶段直到实现商品化，索尼花在CCD上的钱高达200亿日元。项目研究虽然只花了30亿日元，但因为CCD的加工制造需要大量专有技术，实现大量生产时的技术积累过程难度Z大，所以这方面投下了170亿日元。因此，这个项目如果没有的经营者的支持根本办不到。岩间曾任索尼的美国分社长，回到日本索尼以后担任副社长兼索尼ZY研究所的所长。据索尼开发团队带头人木原的回忆：“回国Z初，岩间视察了ZY研究所的全体，随着时间的过去，他的关心逐渐移到了CCD开发方面。大家注意到他一天之中有一半是在从事CCD研究的越智成之身旁度过的。到了1973年11月，CCD终于立了项，成立了以越智为ZX的开发团队。” 　　在全公司的支援下，开发团队克服重重困难，终于在1978年3月制造出了被人认为“不可能的”、在一片电路板上装有11万个元件的集成块。以后，又花了2年的岁月去提高图像质量，终于造出了世界上diyi个CCD彩色摄像机。在这个基础上再改进，首次实现了CCD摄像机的商品化。当时，CCD的成品率非常低，每100个里面才有一个合格的，生产线全开工运转一周也只能生产一块。有人开玩笑说：这哪里是合格率，这简直就是发生率！索尼接到全日空13台CCD摄像机的订单，其中用的CCD集成块的生产足足花了一年。 　　1980年1月，升任社长的岩间又给了开发团队新的目标：“开发使用CCD技术的录像录音一体化的摄像机”。又是苦斗，经过了公布样品、统一规格、CCD摄像机开发团队和普通摄像机开发团队的携手大奋战，1985年终于诞生了diyi部8毫米摄像机“CCD-V8”。从开始着手CCD的研究，直到生产出diyi台8毫米CCD摄像机，已经经历了15年的岁月了。 　　从CCD开发到数码摄像机的商品化，仅仅是一个开端。真正实现与光学相机相匹敌的图像质量，还有很长的路要走。数码相机上Z初使用的CCD虽然是将录像机专用品转用的，但是很快在数码相机专用CCD方面出现了“像素竞争”，静止画面用CCD质量迅速地提高了。 　　以下是索尼公司进入80年代后，以年代为顺序，在CCD传感器技术方面的发展简介： 　　1、HAD感测器（80年代初期） 　　HAD（HOLE-ACCUMULATION DIODE）传感器是在N型基板，P型，N+2极体的表面上，加上正孔蓄积层，这是SONY独特的构造。由于设计了这层正孔蓄积层，可以使感测器表面常有的暗电流问题获得解决。另外，在N型基板上设计电子可通过的垂直型隧道，使得开口率提高，换句换说，也提高了感度。在80年代初期，索尼将其lingxian使用在INTERLINE方式的可变速电子快门产品中，即使在拍摄移动快速的物体也可获得清晰的图像。 　　2、ON-CHIP MICRO LENS（80年代后期） 　　80年代后期，因为CCD中每一像素的缩小，将使得受光面积减少，感度也将变低。为改善这个问题，索尼在每一感光二极管前装上经特别制造的微小镜片，这种镜片可增大CCD的感光面积，因此，使用该微小镜片后，感光面积不再因为感测器的开口面积而决定，而是以该微小镜片的表面积来决定。所以在规格上提高了开口率，也使感亮度因此大幅提升。 　　3、SUPER HAD CCD（90年代中期） 　　进入90年代中期后，CCD技术得到了迅猛发展，同时，CCD的单位面积也越来越小，受CCD面积限制，索尼1989年开发的微小镜片技术已经无法再提升CCD的感亮度了，而如果将CCD组件内部放大器的放大倍率提升，将会使杂讯同时提高，成像质量就会受到较大的影响。为了解决这一问题，索尼将以前在CCD上使用的微小镜片的技术进行了改良，提升光利用率，开发将镜片的形状Z优化技术，即索尼 SUPER HAD CCD技术。这一技术的改进使索尼CCD在感觉性能方面得到了进一步的提升。 　　4、NEW STRUCTURE CCD（1998年） 　　在摄影机光学镜头的光圈F值不断的提升下，进入到摄影机内的斜光就越来越多，但更多的钭光并不能百分bai地入射到CCD传感器上，从而使CCD的感光度受到限制。在1998年时，索尼公司就注意到这一问题对成像质量所带来的负面效果，并进行了技术公关。为改善这个问题，他们将彩色滤光片和遮光膜之间再加上一层内部的镜片。加上这层镜片后可以改善内部的光路，使斜光也可以完全地被聚焦到CCD感光器上，而且同时将硅基板和电极间的绝缘层薄膜化，让会造成垂直CCD画面杂讯的讯号不会进入，使SMEAR特性改善。 　　5、EXVIEW HAD CCD（1999年） 　　比可视光波长更长的红外线光，会在半导体硅芯片内做光电变换。可是至当前为止，CCD无法将这些光电变换后的电荷，以有效的方法收集到感测器内。为此，索尼在1999年新开发的“EXVIEW HAD CCD”技术就可以将以前未能有效利用的近红外线光，有效转换成为映像资料而用。使得可视光范围扩充到红外线，让感亮度能大幅提高。利用“EXVIEW HAD CCD”组件时，在黑暗的环境下也可得到高亮度的照片。而且之前在硅晶板深层中做的光电变换时，会漏出到垂直CCD部分的SMEAR成分，也可被收集到传感器内，所以影响画质的杂讯也会大幅降低。 　　从开始生产CCD累积计算，索尼的生产量已超越了1亿个以上。未来索尼公司将积极降低产品消耗电力，减少驱动电路复杂度，减少IC PIN脚数以及减轻电子产品对地球生态环境负担为目标，研发设计新型的CCD组件。在CCD的应用越来越多样化的趋势下，加强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价值的产品来满足用户的要求。 　　6、四色滤光技术（2003年7月） 　　2003年7月16日，Sony公司正式宣布将会在自己全新的消费级CCD产品上采用全新的四色滤光技术，现在，Sony高达800万像素的F828数码相机产品就是采用了此类全新CCD设计生产的。 　　我们知道，传统的感光无非红绿蓝RGB三色，数码相机所应用的CCD/CMOS感光单元是采用彩色滤光片原理，每个像素各感应不同的颜色，然后再将这些颜色重新组合成一个有效像素。而全新的四色滤光标准则被称为RGBE，相对RGB而言，全新的E被Sony认为是一种亮蓝色标准，这里的E就是英文祖母绿单词Emerald的缩写（看上去应该算是青绿色）。Sony认为全新的四色滤光技术将会更加接近于人眼自然色彩识别标准，从而能够达到更为真实的色彩还原标准，在RGBE技术发布的同时，Sony也同期公布了一种全新的图像处理模块以配合全新的四色滤光CCD模块。配合全新的RGBE技术和全新的图像处理模块，新一代的RGBE CCD模块可以将数码相机在色彩还原上的错误降低至少一半，而数码相机在蓝绿、红色方面的还原生成效果也将同时得到加强。另外，全新的图像处理单元也会在能耗方面作相应的优化，相对从前配合RGB技术所采用的图像处理模块可以节省至少30%的能耗，当然全新的图像处理单元更会有效提升数码相机的拍摄速度和回放速度，Sony认为整个全新的RGBE模块设计将整体提升现有数码相机产品的性能表现。 　　二、富士超级CCD的发展历程 　　富士虽然没有索尼那么雄厚的CCD研发实力，其CCD的研发历程也没索尼长，但它的超级CCD却有着非常独特之处。 　　富士的超级CCD（Super CCD）技术发展于1999年。直至今天为止，市面上大多数的数码相机采用的都是矩阵式CCD做传感器，这种CCD的缺点是像素与CCD的面积产生了矛盾，因为要提高影像质量就必须增加CCD的像素，因此在CCD尺寸一定的情况下，增加像素就意味着要缩小像素中的光电二极管。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，所以，如果不增加CCD面积而一味地提高分辨率，只会引起图像质量的恶化。但如果在增加CCD像素的同时想维持现有的图像质量，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。而直至今天为止，更大尺寸CCD加工制造都还比较困难，成品率也比较低，因此成本也一直降不下来，这一矛盾对于CCD而言是难以克服的。在1999年时，富士公司就注意到了这一点，为了解决这一问题，他们研制出了diyi代超级CCD。超级CCD采用八角形的光电二极管和蜂窝状的像素排列，这样就大大改善了每个像素单元中的光电二极管的空间有效性。其像素按45度角排列为蜂窝状后，控制信号通路被取消，节省下的空间使光电二极管得以增大，而八角形的光电二极管因更接近微透镜的圆形，从而可以比矩形光电二极管更有效的吸收光。光电二极管的加大和光吸收效率的提高使每个像素的吸收电荷增加，从而提高了CCD的感光度和信噪比，因此，相对于有同样数量像素的传统CCD而言，它有更高的灵敏度、更高的信号噪声比和更广泛的动态范围； 　　2001年，diyi代超级CCD荣获了授予CCD的固体摄像元件研究成果的 “沃尔特.科索诺基奖”； 　　第二代超级CCD诞生于2001年。它的像素数比diyi代超级CCD提高了很多，噪音也大大降低，拍出的图像锐度更高。这项技术获得到了很高的评价，在图像品质和细节方面做出了突破； 　　第三代超级CCD诞生于2002年，它以实现ISO1600和以30幅每秒的速率拍摄VGA电影为特征，采用了新的图像处理算法和芯片技术； 　　第四代超级CCD诞生于2003年。2003年年初，在英国，富士在举办的一次新闻发布会上发布了有关Super CCD SR/HR技术的内容，这也是Super CCD技术的第四代衍生产物。在2003年3月初，在美国拉斯维加斯举办的PMA 2003年的展会中，富士公司则展示了其应用第四代Super CCD技术的数码相机—Finepix F700。它的问世宣布了富士的第四代Super CCD技术正式进入普及应用阶段。 　　全新的Super CCD SR技术的SR含义在于“Super Dynamic Range”，这种技术可以在现有的传统CCD技术上提升两倍甚至更高的动态延伸效果，Super CCD SR的概念是在CCD传感器的表面每个微透镜上都带有两个光敏二极管，其中一个负责捕捉较为敏感的黑色以及正常光线标准下的信号，而另一个则负责捕捉亮度更高的区域部分信号，两个光敏二极管分别捕捉的光信号再通过相机合成为一张完整的照片，从而提供了超越普通CCD多达二档光圈的惊人动态响应。 　　Super CCD SR技术将CCD的动态范围扩展到了接近普通传统负片胶卷的水平，意味着装备富士Super CCD SR技术的数码相机按光线极弱或极强的环境下都可以拍摄到清晰的画面。富士认为现有的负片技术是由多层不同标准感光实现的，并且还能够提供非常广的动态延伸范围，而Super CCD SR技术也正是针对这样的效果进行设计的，并且效仿负片的感光方式通过两个光敏二极管提供不同的感光标准。 　　富士的Super CCD技术从诞生到现在一直都是褒贬不一的，实际一点地说Super CCD能够实现成像像素的有效提高，但是在细节表现和成像效果上一直遭到专业眼光的怀疑和贬低。富士全新的Super CCD SR技术在很大一方面就是针对现有的Super CCD技术进行的修正和补充，有效提高成像像素的同时在细节和成像质量上加以优化，这样才能真正满足消费者日以挑剔的需求。

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