数码相机中CCD与CMOS的区别? - 小众知识

数码相机中CCD与CMOS的区别?

2013年01月27日 14:18:05 苏内容
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CCD
CCD使用一种高感光度的半导体材料制成,能把光线转变成电荷,通过模数转换器芯片转换成数字信号,数字信号经过压缩以后由相机内部的闪速存储器或内置硬盘卡保存,因而可以轻而易举地把数据传输给计算机,并借助于计算机的处理手段,根据需要和想像来修改图像。CCD由许多感光单位组成,通常以百万像素为单位。当CCD表面受到光线照射时,每个感光单位会将电荷反映在组件上,所有的感光单位所产生的信号加在一起,就构成了一幅完整的画面。

CCD和传统底片相比,CCD 更接近于人眼对视觉的工作方式。只不过,人眼的视网膜是由负责光强度感应的杆细胞和色彩感应的锥细胞,分工合作组成视觉感应。 CCD经过长达35年的发展,大致的形状和运作方式都已经定型。CCD 的组成主要是由一个类似马赛克的网格、聚光镜片以及垫于最底下的电子线路矩阵所组成。目前有能力生产 CCD 的公司分别为:SONY、Philips、Kodak、Matsushita、Fuji和Sharp,大半是日本厂商。
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。
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。

CMOS
CMOS和CCD一样同为在数码相机中可记录光线变化的半导体。CMOS的制造技术和一般计算机芯片没什么差别,主要是利用硅和锗这两种元素所做成的半导体,使其在CMOS上共存着带N(带–电) 和 P(带+电)级的半导体,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。然而,CMOS的缺点就是太容易出现杂点, 这主要是因为早期的设计使CMOS在处理快速变化的影像时,由于电流变化过于频繁而会产生过热的现象。

除了CCD和CMOS之外,还有富士公司独家推出的SUPER CCD,SUPER CCD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。
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。

CCD与CMOS的区别
技术的角度比较,CCD与CMOS的区别有如下四个方面的不同: 
1.信息读取方式
CCD电荷耦合器存储的电荷信息,需在同步信号控制下一位一位地实施转移后读取,电荷信息转移和读取输出需要有时钟控制电路和三组不同的电源相配合,整个电路较为复杂。CMOS光电传感器经光电转换后直接产生电流(或电压)信号,信号读取十分简单。

2.速度
CCD电荷耦合器需在同步时钟的控制下,以行为单位一位一位地输出信息,速度较慢;而CMOS光电传感器采集光信号的同时就可以取出电信号,还能同时处理各单元的图像信息,速度比CCD电荷耦合器快很多。

3.电源及耗电量
CCD电荷耦合器大多需要三组电源供电,耗电量较大;CMOS光电传感器只需使用一个电源,耗电量非常小,仅为CCD电荷耦合器的1/8到1/10,CMOS光电传感器在节能方面具有很大优势。

4.成像质量
CCD电荷耦合器制作技术起步早,技术成熟,采用PN结或二氧化硅(SiO2)隔离层隔离噪声,成像质量相对CMOS光电传感器有一定优势。由于CMOS光电传感器集成度高,各光电传感元件、电路之间距离很近,相互之间的光、电、磁干扰较严重,噪声对图像质量影响很大,使CMOS光电传感器很长一段时间无法进入实用。近年,随着CMOS电路消噪技术的不断发展,为生产高密度优质的CMOS图像传感器提供了良好的条件。
 
此外,CCD与CMOS两种传感器在“内部结构”和“外部结构”上都是不同的:
1.内部结构(传感器本身的结构)
CCD的成像点为X-Y纵横矩阵排列,每个成像点由一个光电二极管和其控制的一个邻近电荷存储区组成。光电二极管将光线(光量子)转换为电荷(电子),聚集的电子数量与光线的强度成正比。在读取这些电荷时,各行数据被移动到垂直电荷传输方向的缓存器中。每行的电荷信息被连续读出,再通过电荷/电压转换器和放大器传感。这种构造产生的图像具有低噪音、高性能的特点。但是生产CCD需采用时钟信号、偏压技术,因此整个构造复杂,增大了耗电量,也增加了成本。
CMOS传感器周围的电子器件,如数字逻辑电路、时钟驱动器以及模/数转换器等,可在同一加工程序中得以集成。CMOS传感器的构造如同一个存储器,每个成像点包含一个光电二极管、一个电荷/电压转换单元、一个重新设置和选择晶体管,以及一个放大器,覆盖在整个传感器上的是金属互连器(计时应用和读取信号)以及纵向排列的输出信号互连器,它可以通过简单的X-Y寻址技术读取信号。

2.外部结构(传感器在产品上的应用结构)
CCD电荷耦合器需在同步时钟的控制下,以行为单位一位一位地输出信息,速度较慢;而CMOS光电传感器采集光信号的同时就可以取出电信号,还能同时处理各单元的图像信息,速度比CCD电荷耦合器快很多。 
CMOS光电传感器的加工采用半导体厂家生产集成电路的流程,可以将数字相机的所有部件集成到一块芯片上,如光敏元件、图像信号放大器、信号读取电路、模数转换器、图像信号处理器及控制器等,都可集成到一块芯片上,还具有附加DRAM的优点。只需要一个芯片就可以实现很多功能,因此采用CMOS芯片的光电图像转换系统的整体成本很低。
CCD和CMOS在制造上的主要区别是CCD是集成在半导体单晶材料上,而CMOS是集成在被称做金属氧化物的半导体材料上,工作原理没有本质的区别。CCD只有少数几个厂商例如索尼、松下等掌握这种技术。而且CCD制造工艺较复杂,采用CCD的摄像头价格都会相对比较贵。事实上经过技术改造,目前CCD和CMOS的实际效果的差距已经减小了不少。而且CMOS的制造成本和功耗都要低于CCD不少,所以很多摄像头生产厂商采用的CMOS感光元件。成像方面:在相同像素下CCD的成像通透性、明锐度都很好,色彩还原、曝光可以保证基本准确。而CMOS的产品往往通透性一般,对实物的色彩还原能力偏弱,曝光也都不太好,由于自身物理特性的原因,CMOS的成像质量和CCD还是有一定距离的。但由于低廉的价格以及高度的整合性,因此在摄像头领域还是得到了广泛的应用。


总结:
因为CMOS结构相对简单,与现有的大规模集成电路生产工艺相同,从而生产成本可以降低。从原理上,CMOS的信号是以点为单位的电荷信号,而CCD是以行为单位的电流信号,前者更为敏感,速度也更快,更为省电。现在高级的CMOS并不比一般CCD差,但是CMOS工艺还不是十分成熟,普通的 CMOS 一般分辨率低而成像较差。
目前的情况是,许多低档入门型的数码相机使用廉价的低档CMOS芯片,成像质量比较差。普及型、高级型及专业型数码相机使用不同档次的CCD,个别专业型或准专业型数码相机使用高级的CMOS芯片。代表成像技术未来发展的X3芯片实际也是一种CMOS芯片。CCD与CMOS孰优孰劣不能一概而论,但一般而言,普及型的数码相机中使用CCD芯片的成像质量要好一些。

由两种感光器件的工作原理可以看出,CCD(电荷藕合器件图像传感器:Charge Coupled Device),它的优势在于成像质量好,但是由于制造工艺复杂,只有少数的厂商能够掌握,所以导致制造成本居高不下,特别是大型CCD,价格非常高昂。 在相同分辨率下,CMOS(互补性氧化金属半导体:Complementary Metal-Oxide Semiconductor)价格比CCD便宜,但是CMOS器件产生的图像质量相比CCD来说要低一些。到目前为止,市面上绝大多数的消费级别以及高端数码相机都使用CCD作为感应器;CMOS感应器则作为低端产品应用于一些摄像头上,若有哪家摄像头厂商生产的摄像头使用CCD感应器,厂商一定会不遗余力地以其作为卖点大肆宣传,甚至冠以“数码相机”之名。一时间,是否具有CCD感应器变成了人们判断数码相机档次的标准之一。
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。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。
此外,CMOS与CCD的图像数据扫描方法有很大的差别。例如,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。

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