Serie Secreta de cámaras digitales: CCD y CMOS
El nacimiento de las cámaras digitales no solo creó nuevas experiencias y equipos fotográficos, sino que también creó directa o indirectamente muchos términos nuevos con el repentino aumento en la aplicación y el conocimiento de los componentes electrónicos. Para quienes utilizan con frecuencia cámaras digitales, es posible que estos términos ya les resulten familiares. Sin embargo, puede que no sea tan fácil explicarlos con total claridad. Así que organicé especialmente algunos grupos de sustantivos de uso común para que todos entiendan las cámaras digitales más fácilmente. Preste atención a esta serie nuestra. En el primer número, comenzaré con el CCD que reemplaza la película de la cámara tradicional. De hecho, este también es el punto más importante de las cámaras digitales.
1. CCD tradicional:
Creo que muchos amigos conocen la importancia del CCD y que es un componente importante que determina el rendimiento de las cámaras digitales, pero realmente necesitamos entender el CCD. No son sólo una o dos frases.
1. Entendiendo el CCD
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Figura 1.
CCD (Dispositivo de carga acoplada) es un semiconductor en una cámara digital que puede registrar cambios en la luz (como se muestra en la Figura 1), generalmente medidos en megapíxeles. La cantidad de megapíxeles en las especificaciones de una cámara digital se refiere a la resolución del CCD, que también se refiere a la cantidad de componentes fotosensibles en el CCD de esta cámara digital.
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Figura 2
Componente fotosensible en CCD La superficie tiene la capacidad de almacenar cargas y está dispuesta en una matriz (como se muestra en la Figura 2). Cuando la superficie detecta la luz, la carga se reflejará en el componente. Las señales generadas por todos los componentes fotosensibles en todo el CCD constituyen una imagen completa. Por lo tanto, el CCD se suele utilizar en cámaras digitales y escáneres como componentes fotosensibles.
2. La estructura "sándwich" del CCD
Si diseccionas el CCD, encontrarás que la estructura del CCD es como un sándwich. La primera capa es el "micro". lente", y la segunda capa es el "filtro de separación de colores" y la tercera capa "capa fotosensible". Debe preguntarse por qué la "lente" está montada directamente en el CCD.
La primera capa de "micro lente"
En realidad, se trata de un error tipográfico en la traducción al inglés: "ON-CHIP MICRO LENS", que fue desarrollado por SONY a principios de los años 80. La tecnología sale. Esto es para aumentar efectivamente el número total de píxeles del CCD, pero también para garantizar que un solo píxel continúe reduciéndose para mantener el área estándar del CCD. Por lo tanto, se debe ampliar el área receptora de luz de un solo píxel. Sin embargo, aumentar la relación de apertura (tasa de iluminación) para aumentar el área de recepción de luz en realidad empeora la calidad de la imagen. Por lo tanto, la tasa de apertura sólo se puede aumentar hasta un cierto límite; de lo contrario, el CCD será inferior. Para mejorar este problema, SONY tomó la iniciativa de instalar lentes diminutas en cada fotodiodo (un solo píxel). Este diseño es como ponerse unas gafas para un CCD. El área fotosensible ya no está determinada por el área de apertura del sensor, sino por la superficie de la microlente. De esta manera, se puede tener en cuenta el tamaño de un solo píxel y se puede aumentar la relación de apertura en términos de especificaciones, de modo que la sensibilidad se puede mejorar considerablemente (Figura 3).
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Figura 3
La segunda capa es "Filtro de separación de colores"
La segunda capa de CCD es el "filtro de separación de colores". Actualmente existen dos métodos de separación de colores, uno es el método de separación de colores primarios RGB y el otro es la separación de colores complementarios CMYG. método. Ambos métodos tienen ventajas y desventajas. Sin embargo, en términos de salida, la relación de salida del CCD de color primario y de color complementario es de aproximadamente 2:1.
La ventaja del CCD de color primario es la calidad de imagen nítida y los colores reales, pero la desventaja es el problema del ruido.
Por lo tanto, todos pueden notar que la sensibilidad ISO de las cámaras digitales que generalmente usan CCD de colores primarios no excederá los 400. Por el contrario, el CCD de color complementario tiene un filtro de color amarillo Y adicional, que es más detallado en resolución de color, pero sacrifica parte de la resolución de la imagen. En términos de valor ISO, el CCD de color complementario puede tolerar una mayor sensibilidad y, en general. se puede configurar por encima de 800 (Figura 4, Figura 5, Figura 6, Figura 7).
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Figura 4
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Figura 5
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Figura 6
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Figura 7
La tercera capa: capa fotosensible
La tercera capa de CCD es la "hoja fotosensible". Esta capa es la principal responsable de convertir la fuente de luz que la atraviesa. la capa de filtro de color en señal electrónica y transmite la señal al chip de procesamiento de imágenes para restaurar la imagen.
3. Disposición de los CCD
Los CCD tradicionales están dispuestos en una matriz. Sin embargo, este enfoque limita la capacidad de mejorar aún más la resolución en el área efectiva (basada en la tecnología actual, 1,8 pulgadas). El valor ideal de CCD es de unos seis millones de píxeles y es razonable corregirlo a cuatro millones de píxeles teniendo en cuenta el coste y el rendimiento de fabricación. Por lo tanto, a algunos fabricantes se les ha ocurrido inteligentemente la idea de cambiar el orden de los CCD, con la esperanza de mejorar la resolución. FUJI Fine Pix 4700 adopta este enfoque. La tecnología desarrollada por FUJIFILM se llama "SUPER CCD". Esta tecnología gira el cuerpo del píxel del CCD en un ángulo de 45 grados y lo organiza en un patrón de panal (como se muestra en la Figura 8). El resultado es que el cableado entre los diodos FOTO. es eliminado. Debido a que la diferencia entre la forma y la dirección vertical del píxel es pequeña, se vuelve aproximadamente octogonal, haciendo que la parte receptora de luz sea más grande. Alcanza una alta sensibilidad equivalente a ISO 800. La relación señal/ruido del SUPER CCD es aproximadamente 2 veces mayor que antes y la reproducción del color también se ha mejorado considerablemente. Como resultado, la reproducibilidad tonal de las partes de mucha luz y sombra en particular mejora enormemente, equilibrando la resolución y los tonos para obtener imágenes más suaves.
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Figura 8
Lo que se necesita señalado aquí Sí, FUJI afirma que los 2,4 millones de píxeles originales en la pantalla de 1,7 pulgadas se han actualizado a 4,3 millones. Aunque el efecto es tan sorprendente, aún es necesario ver los resultados reales de las pruebas para determinar cuánta resolución mejora con este efecto.
2. CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor, semiconductor de óxido metálico complementario)
CMOS, al igual que el CCD, puede registrar cambios de luz en cámaras digitales Semiconductor La tecnología de fabricación de CMOS no es diferente de la de los chips de computadora generales. Utiliza principalmente semiconductores hechos de dos elementos: silicio y germanio, por lo que hay semiconductores de nivel N (cargado positivamente) y P (cargado negativamente). , la corriente generada por estos dos efectos complementarios puede ser registrada e interpretada como una imagen por el chip de procesamiento. Sin embargo, la desventaja del CMOS es que es demasiado propenso al ruido. Esto se debe principalmente a que el diseño inicial hizo que el CMOS se procesara. imágenes que cambian rápidamente, se producirá sobrecalentamiento debido a cambios demasiado frecuentes en la corriente.
Entonces, ¿cuáles son las ventajas de CMOS sobre CCD? De hecho, las ventajas de CMOS sobre CCD son el bajo costo y el bajo consumo de energía. Es fácil de fabricar y puede estar en el mismo chip que el circuito de procesamiento de imágenes. Sin embargo, debido a las deficiencias anteriores, el CMOS sólo puede sobrevivir en el mercado económico de las cámaras digitales.
Cuando la Canon D30 optó por utilizar CMOS como componente fotosensible, muchos expertos "se rompieron las gafas" porque es muy raro utilizar CMOS en cámaras digitales de alta gama. Sin embargo, según las fotografías reales medidas publicadas por CANON D30 BETA vistas recientemente en DPREVIEW, parece que CMOS ha superado sus deficiencias anteriores y su efecto es casi tan bueno como el CCD. Aún no está claro si CANON D30 ha mejorado el diseño CMOS original o si ha realizado mejoras revolucionarias en el chip que interpreta las imágenes. Es innegable que CMOS sólo consume aproximadamente un tercio de la energía de CCD. Para las cámaras digitales con requisitos de rendimiento de batería cada vez más exigentes, el desarrollo hacia CMOS puede ser la solución para desarrollar nuevos modelos en el futuro.
Si aún no tienes claro qué es CMOS, el siguiente sitio web tiene una descripción detallada de CMOS en inglés:
http://tech-www.informatik.uni-hamburg.de / applets/cmos/cmosdemo.html
3. Nueva generación de innovación en tecnología CCD
Los tiempos están cambiando y la tecnología CCD tradicional ya no puede satisfacer las necesidades de los usuarios actuales de cámaras digitales. . A continuación, presentaremos dos tecnologías CCD representativas lanzadas recientemente en 2002, para que todos puedan tener una comprensión más profunda del CCD:
Fuji lanzó la tecnología Super CCD de tercera generación (como la Figura 9, Figura 10)
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Figura 9
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Figura 10
En 1999, Fujifilm en Japón desarrolló la primera generación del SuperCCD, utilizado en el La FinePix 4700z se hizo muy popular porque podía aumentar los píxeles y la resolución. Luego, en 2001, Fujifilm corrigió todas las deficiencias de ruido del Super CCD de primera generación y aumentó los píxeles efectivos a 3,1 millones, con un máximo de 6,02 millones de píxeles. resolución. Estos CCD se instalaron en la FinePix 6800z/6900z, que se convirtió en la cámara digital más vendida de Fujifilm ese año. La nueva generación de SuperCCD III combina las ventajas anteriores y agrega:
Capacidad de procesamiento de señales: la creatividad de esta tecnología es utilizar el procesador de procesamiento de señales incorporado en la cámara para integrar los resultados obtenidos desde la primera foto ( 2832X2128), específicamente basada en RGB como estándar, y cada 4 píxeles de los tres colores como base de cálculo, se integra el rendimiento de la fotografía a una alta sensibilidad de ISO 1600. Utilizando los principios de cálculo, se puede mejorar y corregir el color de las fotografías con poca luz y se puede evitar el aumento de la relación de ruido debido a la interferencia electrónica. Pero la desventaja es que las fotografías originales con muchos píxeles se reducirán a una relación de tamaño (1280X960).
Operación mixta de píxeles horizontales/verticales del CCD: esta es otra habilidad especial de SuperCCD III, y es la primera vez en el mundo que el CCD adopta la tecnología de operación mixta de píxeles horizontales/verticales. Este método puede permitir que un CCD con un píxel efectivo de 3 millones supere el umbral de 15 fps que generalmente está limitado a la grabación de animación QVGA (resolución 320×240), porque no importa qué tan rápida sea la velocidad, la velocidad de procesamiento de la cámara digital no es suficiente y la imagen es fácil de oscurecer. Esta vez, a través del algoritmo, se integran varios píxeles en uno, lo que permite que la cámara digital relaje el límite del obturador de la animación, por lo que SuperCCD puede alcanzar una capacidad de grabación máxima de 30 fps con resolución VGA (640×480). Y puede aumentar efectivamente la sensibilidad en más de 4 veces. En otras palabras, la animación filmada con SuperCCD III está al nivel de VCD.
La empresa Foveon de Estados Unidos lanzó la tecnología CCD multicapa sensible al color
Antes de que la empresa Foven lanzara la tecnología X3, la estructura general del CCD era una placa de filtro de color similar a un panal (Figura 11), con una almohadilla debajo. El fotorreceptor se utiliza para determinar cuál de los tres colores primarios RGB es la luz incidente.
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Figura 11
Sin embargo, la tecnología celular (También conocida como tecnología de mosaico en los Estados Unidos) Las desventajas son: la resolución no se puede mejorar, la capacidad de discriminación del color es deficiente y el costo de producción es alto. Por esta razón, Japón ha monopolizado la producción de CCD de alta gama a lo largo de los años. La nueva tecnología X3 permite que la tecnología electrónica imite con éxito el principio de detección de color de la "película real" (Figura 12), "detección de color capa por capa" de acuerdo con la longitud de onda de absorción de la luz. , correspondiente a la desventaja de la tecnología celular de que un píxel solo puede detectar un color, el mismo píxel del X3 puede detectar tres colores diferentes, lo que mejora enormemente la calidad de la imagen y el rendimiento del color.
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Figura 12
Admite CCD más potente tecnología informática VPS (Variable Pixel Aize); además, X3 también tiene una característica que es muy similar al método de integración informática horizontal y vertical SuperCCD III que presentamos anteriormente, también mediante la combinación de "píxeles de grupo" (Figura 13). X3 también puede alcanzar valores ISO ultra altos (se debe reducir la resolución) y velocidades de grabación VGA de alta velocidad. Lo que es más poderoso que SuperCCD es que cada píxel de X3 puede detectar tres valores de color. En teoría, la captura de animación de X3 puede ser más refinada que SuperCCD III en las mismas condiciones de velocidad.