2024年9月17日发(作者:节峯)
CCD与CMOS传感器是当前被普遍采用的两种图像传感器,两者都是利用感光二
极管(photodiode)进行光电转换,将图像转换为数字数据,而其主要差异是“数
字数据传送”的方式不同。
区别之处:
CCD传感器中每一行中每一个象素的电荷数据都会依次传送到下一个象素
中,由最底端部分输出,再经由传感器边缘的放大器进行放大输出;
而在CMOS传感器中,每个象素都会邻接一个放大器及A/D转换电路,用类
似内存电路的方式将数据输出。
造成这种差异的原因在于:
CCD的特殊工艺可保证数据在传送时不会失真,因此各个象素的数据可汇聚
至边缘再进行放大处理;
而CMOS工艺的数据在传送距离较长时会产生噪声,因此,必须先放大,再
整合各个象素的数据。
综合区别:
1、在象素尺寸相同的情况下,CMOS传感器的灵敏度要低于CCD传感器。
2、CCD传感器的成本会高于CMOS传感器。
3、相同尺寸的CCD与CMOS传感器,CCD传感器的分辨率通常会优于CMOS传感
器的水平。
4、CMOS传感器的噪点会比CCD多,容易影响图像品质。
5、CCD功耗远高于CMOS传感器。
但在数码单反相机中,也有一些高端的的机型使用了新开发出来的高动态范围
CMOS器件(像素内电荷完全转送技术)。
这一技术消除了对快门、光圈、自动增益控制及伽玛校正的需要,使之接近了
CCD的成像质量。另外由于CMOS先天的可塑性,可以做出高像素的大型CMOS感
光器而成本却不上升多少。
CCD与CMOS传感器是当前被普遍采用的两种图像传感器,两者都是利用感光二极管
(photodiode)进行光电转换,将图像转换为数字数据,而其主要差异是数字数据传送的方式
不同。 如下图所示,CCD传感器中每一行中每一个象素的电荷数据都会依次传送到下一个
象素中,由最底端部分输出,再经由传感器边缘的放大器进行放大输出;而在CMOS传感
器中,每个象素都会邻接一个放大器及A/D转换电路,用类似内存电路的方式将数据输出。
左图为CCD传感器的结构,右图为CMOS传感器的结构
造成这种差异的原因在于:CCD的特殊工艺可保证数据在传送时不会失真,因此各个
象素的数据可汇聚至边缘再进行放大处理;而CMOS工艺的数据在传送距离较长时会产生
噪声,因此,必须先放大,再整合各个象素的数据。
由于数据传送方式不同,因此CCD与CMOS传感器在效能与应用上也有诸多差异,
这些差异包括:
1. 灵敏度差异:由于CMOS传感器的每个象素由四个晶体管与一个感光二极管构成(含
放大器与A/D转换电路),使得每个象素的感光区域远小于象素本身的表面积,因此在象素
尺寸相同的情况下,CMOS传感器的灵敏度要低于CCD传感器。
2. 成本差异:由于CMOS传感器采用一般半导体电路最常用的CMOS工艺,可以轻
易地将周边电路(如AGC、CDS、Timing generator、或DSP等)集成到传感器芯片中,因
此可以节省外围芯片的成本;除此之外,由于CCD采用电荷传递的方式传送数据,只要其
中有一个象素不能运行,就会导致一整排的数据不能传送,因此控制CCD传感器的成品率
比CMOS传感器困难许多,即使有经验的厂商也很难在产品问世的半年内突破 50%的水
平,因此,CCD传感器的成本会高于CMOS传感器。
3. 分辨率差异:如上所述,CMOS传感器的每个象素都比CCD传感器复杂,其象素
尺寸很难达到CCD传感器的水平,因此,当我们比较相同尺寸的CCD与CMOS传感器时,
CCD传感器的分辨率通常会优于CMOS传感器的水平。例如,目前市面上CMOS传感器
最高可达到210万象素的水平(OmniVision的 OV2610,2002年6月推出),其尺寸为1/2
英寸,象素尺寸为4.25μm,但Sony在2002年12月推出了ICX452,其尺寸与 OV2610
相差不多(1/1.8英寸),但分辨率却能高达513万象素,象素尺寸也只有2.78mm的水平。
4. 噪声差异:由于CMOS传感器的每个感光二极管都需搭配一个放大器,而放大器属
于模拟电路,很难让每个放大器所得到的结果保持一致,因此与只有一个放大器放在芯片边
缘的CCD传感器相比,CMOS传感器的噪声就会增加很多,影响图像品质。
5. 功耗差异:CMOS传感器的图像采集方式为主动式,感光二极管所产生的电荷会直
接由晶体管放大输出,但CCD传感器为被动式采集,需外加电压让每个象素中的电荷移动,
而此外加电压通常需要达到12~18V;因此,CCD传感器除了在电源管理电路设计上的难
度更高之外(需外加 power IC),高驱动电压更使其功耗远高于CMOS传感器的水平。举例
来说,OmniVision近期推出的OV7640(1/4英寸、VGA),在 30 fps的速度下运行,功耗
仅为40mW;而致力于低功耗CCD传感器的Sanyo公司去年推出了1/7英寸、CIF等级的
产品,其功耗却仍保持在90mW 以上,虽然该公司近期将推出35mW的新产品,但仍与
CMOS传感器存在差距,且仍处于样品阶段。
综上所述,CCD传感器在灵敏度、分辨率、噪声控制等方面都优于CMOS传感器,而CMOS
传感器则具有低成本、低功耗、以及高整合度的特点。不过,随着CCD与CMOS传感器技术
的进步,两者的差异有逐渐缩小的态势,例如,CCD传感器一直在功耗上作改进,以应用于
移动通信市场(这方面的代表业者为Sanyo);CMOS传感器则在改善分辨率与灵敏度方面的不
足,以应用于更高端的图像产品,我们可以从以下各主要厂商的产品规划来看出一些端倪。
数码相机采用电子元器件成像而非胶卷——这是数码相机与传统相机最本质的区别所在。数
码相机的成像器件主要分为两类:
CCD——英文Charge Couple Device的缩写,中文名称―电荷耦合器件‖。
CMOS——英文Complementary Metal-Oxide Semiconductor的缩写,中文名
称为―互补金属氧化物半导体‖。
CCD技术成熟,成像质量好,毕竟它是现在应用的最广泛的成像元件,优点在
于
1)CCD从一开始就是为图像而生。CCD从根本上说,就是采用为图像和电荷
传输优化设计的制造技术。
这种技术,保证了CCD的性能不会因为减小像素尺寸,而发生降低。这种
专用技术的应用,当然也造成了CCD的一大劣势--不能集成其他图像处理功
能到这块传感器上。
2)CCD传感器从根本上避免了由于像素窜扰产生的fixed-pattern noise (固定图
样噪声,FPN),
以及temporal noise(暂时噪声)。而这两种噪音在CMOS上是永远不能避免
的。
但它也有其缺点:
1)耗电量大。早期的数码相机有―电老虎‖的―美誉‖,主要原因之一便来自CCD。
虽然现在采用低温
多晶硅显示屏等低能耗的部件在一定程度上降低了相机的功率,但CCD依然是
数码相机的耗电大户——CCD从数码相机一开机便随时保持着工作状态,更是
无谓地消耗大量的电能。
2) 工艺复杂,成本较高。CCD复杂的结构决定了它制造工艺的复杂性,因而
到目前为止,
CCD还只有为数不多的几家电子产业巨头能生产。
3)像素提升难度大。CCD前两个缺点也直接导致了这一个缺点,CCD像素提
升无非是通过两个途径:
第一,保持感光元件单位面积不变而增大CCD面积,在大面积CCD上
集成更多的感光元件。但是这种方式会导致CCD成品率降低,制造成本更高,
功耗更大,在民用领域这是
不现实的;第二,缩小感光元件单位面积,在现有水平的CCD面积上集成更多
感光元件。
但是这种方法会减少感光元件的单位感光面积,降低CCD整体的灵敏度和动态
范围,
影响画质。
CMOS在最近几年的发展速度相当不错,大有与CCD分庭抗争之势——就连目
前最顶级的DSLR(
单镜头反光数码相机)柯达(Kodak)DCS 14n与佳能(Canon) EOS 1Ds
均是采用CMOS成像。
相比CCD,CMOS有几个最突出的优点:
1) 价格低廉,制造工艺简单。CMOS可以利用普通半导体生产线进行生产,
不象CCD那样要求
特殊的生产工艺,所以制造成本低得多。而且CMOS尺寸与成品率都不如
CCD有很多限制。
2)耗电量低。虽然CMOS的滤镜布局与CCD差别不大,但在感光单元的电路
结构上却有很大差别。
CMOS每个感光元件都具备独立的电荷/电压转换电路,可将光电转换
后的电信号独立放大输出——这比起CCD将所有的信号全部收集起来再放大输
出,速度快了很多。
而且
CMOS的感光元件只在感光成像时才会工作,所以比CCD更省电。但CMOS
同样存在缺点,
如果在使用数码相机时成像动作较多,那么CMOS在频繁的启动过程中会因为
多变的电流而产生热量,导致杂波并影响画质。
3)便于集成。通过CMOS工艺可以方便地做出具有缓存、像素级图像处理、
A/D、D/A集成
的SoC方案。CCD结构和原理上不允许这么做。
4)CMOS图像传感器结构上便于采用高速的并行读取体系。就像今年IEEE一
个会议上,
SONY发布了连拍速度高达60FPS的CMOS传感器。从读取架构上看,CMOS
具有决定性的优势。由于CCD原理、结构的限制,它不能采用这种并行的读取
架构,只能另辟蹊径。
手机的数码相机功能指的是手机是否可以通过内置或是外接的数码相机进行拍
摄静态图片
或短片拍摄,作为手机的一项新的附加功能,手机的数码相机功能得到了
迅速的发展。
手机摄像头分为内置与外置,内置摄像头是指摄像头在手机内部,更方便。
外置手机通过数据线或者手机下部接口与数码相机相连,来完成数码相机的一切
拍摄功能。
外置数码相机的优点在于可以减轻手机的重量,而且外置数码相机重量轻,携带
方便,
使用方法简单。
处于发展阶段的手机的数码相机的性能应该也处于初级阶段,带有光学变焦的手
机
目前国内销售的还没有这个功能,不过相信随着手机数码相机功能的发展,带有
光学变焦的手机也会逐渐上市,但大部分都拥有数码变焦功能。除此之外,目前
手机的
数码相机功能主要
包括拍摄静态图像,连拍功能,短片拍摄,镜头可旋转,自动白平衡,内置闪光
灯等等。
手机的拍摄功能是与其屏幕材质、屏幕的分辨率、摄像头像素、摄像头材质有直
接关系。
像素:数码相机的像素数包括有效像素(Effective Pixels)和最大像素(Maximum
Pixels)。
与最大像素不同的是有效像素数是指真正参与感光成像的像素值,
而最高像素的数值是感光器件的真实像素,这个数据通常包含了感光器件的非成
像部分,
而有效像素是在镜头变焦倍率下所换算出来的值。
对于手机的数码相机像素,目前只能处于初级发展阶段,像素数并不很高,
大都在10万--130万像素之间。数码相机的像素数越大,所拍摄的静态图像的
分辨率
也越大,相应的一张图片所占用的空间也会增大。
有效像素:有效像素数英文名称为Effective Pixels。与最大像素不同,
有效像素数是指真正参与感光成像的像素值。最高像素的数值是感光器件的真实
像素,
这个数据通常包含了感光器件的非成像部分,而有效像素是在镜头变焦倍率下所
换算出来的值。
数码图片的储存方式一般以像素(Pixel)为单位,每个象素是数码图片里面积
最小的单位。
像素越大,图片的面积越大。要增加一个图片的面积大小,如果
没有更多的光进入感光器件,唯一的办法就是把像素的面积增大,这样一来,
可能会影响图片的锐力度和清晰度。所以,在像素面积不变的情况下,数码相机
能获得最大的图片像素,即为有效像素。
最大像素:最大像素英文名称为Maximum Pixels,所谓的最大像素是经过插值
运算后获得的。
插值运算通过设在数码相机内部的DSP芯片,在需要放大图像
时用最临近法插值、线性插值等运算方法,在图像内添加图像放大后所需要增加
的像素。
插值运算后获得的图像质量不能够与真正感光成像的图像相比。以
最大像素拍摄的图片清晰度比不上以有效像素拍摄的。
传感器:作为手机新型的拍摄功能,内置的数码相机功能与我们平时所见到的低
端的
(10万--130万像素)数码相机相同。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。目前手机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。
CCD:电荷藕合器件图像传感器CCD(Charge Coupled Device),它使用一
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、Philps、Kodak、Matsushita、Fuji和Sharp,大半是日本厂商。
CMOS:互补性氧化金属半导体CMOS(Complementary Metal-Oxide
Semiconductor)
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。
CCM:CCM其实就是CMOS镜头,只是CCM的画质比CMOS高一点,
拍照时感应速度也较快,但以照片品质来说还是逊色于CCD镜头,
在实际拍摄中也可以感觉出来,取景速度非常快,就算迅速移动手机摄像头时,
屏幕都可以迅速显示所捕抓的画面,过程非常流畅,几乎没
有什么延迟。
CCD与CMOS有什么不同
由两种感光器件的工作原理可以看出,CCD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
摄想头使用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影像传感器的优点之一是电源消耗量比CCD低,CCD为提供优异
的影像品质,付出代价即是较高的电源消耗量,
为使电荷传输顺畅,噪声降低,需由高压差改善传输效果。但CMOS影像
传感器将每一画素的电荷转换成电压,读取前便将其放大,
利用3.3V的电源即可驱动,电源消耗量比CCD低。CMOS影像传感器的
另一优点,是与周边电路的整合性高,可将ADC与讯号处理器
整合在一起,使体积大幅缩小,例如,CMOS影像传感器只需一组电源,
CCD却需三或四组电源,由于ADC与讯号处理器的制程
与CCD不同,要缩小CCD套件的体积很困难。但目前CMOS影像传感器
首要解决的问题就是降低噪声的产生,未来CMOS影像传感器
是否可以改变长久以来被CCD压抑的宿命,往后技术的发展是重要关键。
感光器件的发展
CCD是1969年由美国的贝尔研究室所开发出来的。进入80年代,CCD
影像传感器虽然有缺陷,由于不断的研究终于克服了困难,
而于80年代后半期制造出高分辨率且高品质的CCD。到了90年代制造出
百万像素之高分辨率CCD,此时CCD的发展更是突飞猛进,
算一算CCD 发展至今也有二十多个年头了。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。
但为了在CCD面积减小的同时提高图像的成像质量,SONY与1989年
开发出了SUPER HAD CCD,这种新的感光器件是在CCD面积
减小的情况下,依靠CCD组件内部放大器的放大倍率提升成像质量。
以后相继出现了NEW STRUCTURE CCD、EXVIEW HAD CCD、
四色滤光技术(专为SONY F828所应用)。而富士数码相机则
采用了超级CCD(Super CCD)、Super CCD SR。
对于CMOS来说,具有便于大规模生产,且速度快、成本较低,
将是数字相机关键器件的发展方向。目前,在CANON等公司的
不断努力下,新的CMOS器件不断推陈出新,高动态范围CMOS器件已经出现,
这一技术消除了对快门、光圈、自动增益控制及
伽玛校正的需要,使之接近了CCD的成像质量。另外由于CMOS先天的可塑
性,
可以做出高像素的大型CMOS感光器而成本却不
上升多少。相对于CCD的停滞不前相比,CMOS作为新生事物而展示出了蓬勃
的活力。
作为数码相机的核心部件,CMOS感光器
以已经有逐渐取代CCD感光器的趋势,并有希望在不久的将来成为主流的感光
器。
影像感光器件因素
对于数码相机来说,影像感光器件成像的因素主要有两个方面:一是感光器件的
面积;
二是感光器件的色彩深度。
感光器件面积越大,成像较大,相同条件下,能记录更多的图像细节,
各像素间的干扰也小,成像质量越好。但随着数码相机
向时尚小巧化的方向发展,感光器件的面积也只能是越来越小。
除了面积之外,感光器件还有一个重要指标,就是色彩深度,也就是色彩位,
就是用多少位的二进制数字来记录三种原色。
非专业型数码相机的感光器件一般是24位的,高档点的采样时是30位,
而记录时仍然是24位,专业型数码相机的成像器件
至少是36位的,据说已经有了48位的CCD。对于24位的器件而言,
感光单元能记录的光亮度值最多有2^8=256级,每一种原色
用一个8位的二进制数字来表示,最多能记录的色彩是256x256x256约16,77
万种。
对于36位的器件而言,感光单元能记录的
光亮度值最多有2^12=4096级,每一种原色用一个12位的二进制数字来表示,
最多能记录的色彩是4096x4096x4096约68.7亿种。
举例来说,如果某一被摄体,最亮部位的亮度是最暗部位亮度的400倍,
用使用24位感光器件的数码相机来拍摄的话,
如果按低光部位曝光,则凡是亮度高于256备的部位,均曝光过度,
层次损失,形成亮斑,如果按高光部位来曝光,
则某一亮度以下的部位全部曝光不足,如果用使用了36位感光器件的
专业数码相机,就不会有这样的问题。
对于只提供全帧图像的CCD图像传感器而言,只有采用一个分离的评估电路
才能够提供两个观测角度,这意味着处理
时间和成本的增加。然而,CMOS图像传感器的工作原理则与RAM相似,
所有的存储位均可单独读出。CMOS传感器
的二次采样虽然提供了较低的分辨率,但是帧速率较高;而开窗口则允许
随机选择一块感兴趣的区域。CCD图像转换器
仍然需要采用外部逻辑电路来实现控制和模拟/数字转换功能,而CMOS标准
逻辑器件则能够把传感器、控制器、转换器
和评估逻辑电路等全部集成到一块芯片之中。
CCD和CMOS的区别
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。
CCD是目前比较成熟的成像器件,CMOS被看作未来的成像器件。 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 SMOS 一般
分辨率低而成像较差。
不管,CCD 或 CMOS,基本上两者都是利用矽感光二极体(photodiode)
进行光与电的转换。这种转换的原理与各位手上具备―太阳电能‖电子计算机的―太
阳能电池‖效应相近,光线越强、电力越强;反之,光线越弱、电力也越弱的道
理,将光影像转换为电子数字信号。
比较 CCD 和 CMOS 的结构,ADC的位置和数量是最大的不同。简单的
说,按我们在上一讲―CCD 感光元件的工作原理(上)‖中所提之内容。CCD每
曝光一次,在快门关闭后进行像素转移处理,将每一行中每一个像素(pixel)的
电荷信号依序传入―缓冲器‖中,由底端的线路引导输出至 CCD 旁的放大器进行
放大,再串联 ADC 输出;相对地,CMOS 的设计中每个像素旁就直接连着
ADC(放大兼类比数字信号转换器),讯号直接放大并转换成数字信号。
两者优缺点的比较
CCD 与CMOS
设计 单一感光器 感光器连接放大器
灵敏度 同样面积下高 感光开口小,灵敏度低
成本 线路品质影响程度高,成本高 CMOS整合集成,成本低
解析度 连接复杂度低,解析度高 低,新技术高
噪点比 单一放大,噪点低 百万放大,噪点高
功耗比 需外加电压,功耗高 直接放大,功耗低
由于构造上的基本差异,我们可以表列出两者在性能上的表现之不同。CCD
的特色在于充分保持信号在传输时不失真(专属通道设计),透过每一个像素集
合至单一放大器上再做统一处理,可以保持资料的完整性;CMOS的制程较简
单,没有专属通道的设计,因此必须先行放大再整合各个像素的资料。
整体来说,CCD 与 CMOS 两种设计的应用,反应在成像效果上,形成包
括 ISO 感光度、制造成本、解析度、噪点与耗电量等,不同类型的差异:
ISO 感光度差异:由于 CMOS 每个像素包含了放大器与A/D转换电路,
过多的额外设备压缩单一像素的感光区域的表面积,因此 相同像素下,同样大
小之感光器尺寸,CMOS的感光度会低于CCD。
成本差异:CMOS 应用半导体工业常用的 MOS制程,可以一次整合全部
周边设施于单晶片中,节省加工晶片所需负担的成本 和良率的损失;相对地
CCD 采用电荷传递的方式输出资讯,必须另辟传输通道,如果通道中有一个像
素故障(Fail),就会导致一整排的 讯号壅塞,无法传递,因此CCD的良率比
CMOS低,加上另辟传输通道和外加 ADC 等周边,CCD的制造成本相对高于
CMOS。
解析度差异:在第一点―感光度差异‖中,由于 CMOS 每个像素的结构比
CCD 复杂,其感光开口不及CCD大, 相对比较相同尺寸的CCD与CMOS感
光器时,CCD感光器的解析度通常会优于CMOS。不过,如果跳脱尺寸限制,
目前业界的CMOS 感光原件已经可达到1400万 像素 / 全片幅的设计,CMOS
技术在量率上的优势可以克服大尺寸感光原件制造上的困难,特别是全片幅
24mm-by-36mm 这样的大小。
噪点差异:由于CMOS每个感光二极体旁都搭配一个 ADC 放大器,如果
以百万像素计,那么就需要百万个以上的 ADC 放大器,虽然是统一制造下的
产品,但是每个放大器或多或少都有些微的差异存在,很难达到放大同步的效果,
对比单一个放大器的CCD,CMOS最终计算出的噪点就比较多。
耗电量差异:CMOS的影像电荷驱动方式为主动式,感光二极体所产生的
电荷会直接由旁边的电晶体做放大输出;但CCD却为被动式, 必须外加电压
让每个像素中的电荷移动至传输通道。而这外加电压通常需要12伏特(V)以
上的水平,因此 CCD 还必须要有更精密的电源线路设计和耐压强度,高驱动
电压使 CCD 的电量远高于CMOS。
尽管 CCD 在影像品质等各方面均优于CMOS,但不可否认的CMOS具有
低成本、低耗电以及高整合度的特性。 CMOS的低成本和稳定供货,成为厂商
的最爱,也因此其制造技术不断地改良更新,使得 CCD 与 CMOS 两者的差
异逐渐缩小 。新一代的CCD朝向耗电量减少作为改进目标, CMOS系列,则
开始朝向大尺寸面积与高速影像处理晶片统合,藉由后续的影像处理修正噪点以
及画质表现, 特别是 Canon 系列的 EOS D30 、EOS 300D 的成功,足见高
速影像处理晶片已经可以胜任高像素 CMOS 所产生的影像处理时间与能力的
缩短CMOS未来跨足高阶的影像市场产品,前景可期。
感光元件 CCD及CMOS对比介绍
CCD 英文全名 Charge Coupled Device,感光耦合元件,CCD为数位相机中可记录光
线变化的半导体,通常以百万像素〈megapixel〉为单位。数位相机规格中的多少百万像素,
指的就是CCD的解析度,也代表着这台数位相机的 CCD 上有多少感光元件。
CCD 主要材质为硅晶半导体,基本原理类似 CASIO 计算机上的太阳能电池,透过光电效
应,由感光元件表面感应来源光线,从而转换成储存电荷的能力。简单的说,当 CCD 表面
接受到快门开启,镜头进来的光线照射时, 即会将光线的能量转换成电荷,光线越强、电
荷也就越多,这些电荷就成为判断光线强弱大小的依据。CCD 元件上安排有通道线路,将
这些电荷传输至放大解码原件,就能还原 所有CCD上感光元件产生的讯号,并构成了一幅
完整的画面。此一特性,使得 CCD 通用在数位相机〈Digital Camera〉与扫瞄器〈Scanner〉
上,作为目前最大宗之感光元件来源。
CMOS 英文全名 Complementary Metal-Oxide Semiconductor,互补性氧化金属
半导体,CMOS和CCD一样同为在数码相机中可记录光线变化的半导体 ,外观上几乎无
分轩轾。但,CMOS的製造技术和CCD 不同,反而比较接近一般电脑晶片。CMOS的材质
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晶片纪录和解读成影
像。然而,CMOS因为在画素的旁边就放置了讯号放大器,导致其缺点容易出现杂点 ,特
别是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,更使得杂讯难以
抑制。
CCD和CMOS相机的成像特点对比:
CCD
采用CCD的数码单反,图像饱和度较高,图像较为锐利,质感更加真实,尤其
是在低感光度下,成像有良好的表现。但是,从目前数码单反的表现来看,CCD
的噪点随着感光度的升高而增加较快,高感光度下的噪点控制并不是CCD传感
器的强项也就是说,CCD传感器的优势表现在低感光度下,这时候能充分发挥C
CD传感器的优势,比如色彩鲜艳,图像质感鲜活等等。CCD的另一个特点是,
它的表面更容易形成静电场,所以比更容易吸附灰尘。所以,对于采用CCD传
感器的数码单反来说,你可能需要更注意防尘。目前,在市场上主流的数码单反
中,采用CCD传感器的数码单反包括尼康D40/D40X,D60,D80,D200,索尼
a100/200/300/350,
CMOS
CMOS的特性在某些程度上跟CCD完全相反。CMOS传感器在低感光度下的成
像也非常干净,但是,采用CMOS传感器的数码单反成像看上去偏灰(在不调
整的情况下),色彩饱和度较低,质感和锐度的表现也要稍逊一筹。但是,目前
大多数CMOS具备硬件降噪机制,所以噪点随着感光度的升高增加较慢,所以,
在高感光度下,CMOS传感器表现反而好过CCD传感器。佳能的全系列数码单
反均采用CMOS传感器,这也是佳能的数码单反在高感光度下表现较好的一个
原因。而尼康D300、D700、D3,索尼a700、宾得K20D、三星GX-20等采用C
MOS传感器的数码单反在高感光度下也有较好的表现。CMOS的另一个优点是
数据读取速度快,因此那些连拍速度较快的数码单反都清一色采用CMOS传感
器。另外,CMOS相对CCD的功耗较低,除了省电以外,也相对较不容易吸附
灰尘。
CMOS 对抗 CCD的优势在于成本低,耗电需求少, 便于制造, 可以与影像处理
电路同处于一个晶片上。但由于上述的缺点,CMOS 只能在经济型的数位相机
市场中生存。 不过,新一代 『Fill Factor CMOS』 成为解决这个难题的救星,
Fill factor CMOS 属于此型感测器中最先进的製程技术。最大的差别在于提高
Fill Factor(单一画素中可吸收光的面积对整个画素的比例),有效做到提升敏
感度、放大CMOS面积(全画幅)和降低杂讯的影响。再将 Fill Factor CMOS
与 CCD 感光器比较发现,CCD 受限于良率和结构製程,面积越小,画素越高,
相对成本也就越低;Fill Factor CMOS 刚好相反,由于感光开口加大,FF CMO
S 可以挑战更高画素,更大面积(全画幅),甚至就产出比例来说,FF CMOS
单一晶圆的附加价值更大。
由于 Fill Factor CMOS 技术的特殊性,自身拥有晶圆生产设备的Canon 可以
说是最早体悟到 Fill Factor CMOS 的市场潜力。Canon EOS D30 是该公司最
早选择以 FF CMOS当感光元件数位 DSLR 产品,低廉的价格颇受消费者支持。
虽然,EOS D30的画质表现普通,不过,后续的研究整合了完整的图像处理引
擎等,更高速且尖端的影像技术,今日,採用大画素、全片幅之 Fill Factor CM
OS 已经成为主流,高阶旗舰级全片幅数位机身包括:Canon 1DsMarkII、Koda
k DCS Pro/c 也全面採用 Fill factor CMOS。
比较 CCD 和 CMOS 的结构,放大器的位置和数量是最大的不同之处,简单地
解释:CCD 每曝光一次,自快门关闭或是内部时脉自动断线(电子快门)后,
即进行画素转移处理,将每一行中每一个画素(pixel)的电荷信号依序传入『缓
冲器(电荷储存器)』中,由底端的线路导引输出至 CCD 旁的放大器进行放大,
再串联 ADC(类比数位资料转换器) 输出;相对地,CMOS 的设计中每个画素
旁就直接连着『放大器』,光电讯号可直接放大再经由 BUS 通路移动至 ADC
中转换成数位资料。
CCD 与 CMOS 感光元件之优缺点比较.
设计
灵敏度
成本
解析度
讯比
耗能比
反应速度
CCD
单一感光器
同样面积下较高
高
结构複杂度低解析度高
多元放大器 杂讯低
需外加电压导出电荷,耗能高
慢
CMOS
感光器连结放大器
感光开口小 灵敏度低
低
传统技术较低
误差大 杂讯高
像素直接放大,耗能低
快
由于构造上的基本差异,我们可以看出CCD和CMOS在性能上的不同:
CCD的特色在于充分保持信号在传输时不失真(专属通道设计),透过每一个
画素集合至单一放大器上再做统一处理,可以保持资料的完整性;CMOS的制
程较简单,没有专属通道的设计,因此必须先行放大再整合各个画素的资料。
整体来说,CCD 与 CMOS 两种设计的应用,反应在成像效果上,形成包括 ISO
感光度、製造成本、解析度、杂讯与耗电量等,不同类型的差异对比如下:
ISO感光度差异:由于 CMOS 每个画素包含了放大器与A/D转换电路,过多的
额外设备压缩单一画素的感光区域的表面积,因此在 相同画素下,同样大小之
感光器尺寸,CMOS的感光度会低于CCD。
成本差异:CMOS 应用半导体工业常用的 MOS制程,可以一次整合全部周边设
施于单晶片中,节省加工晶片所需负担的成本 和良率的损失;相对地 CCD 採
用电荷传递的方式输出资讯,必须另闢传输通道,如果通道中有一个画素故障
(Fail),就会导致一整排的讯号壅塞,无法传递,因此CCD的良率比CMOS
低,加上另闢传输通道和外加 ADC 等周边,CCD的製造成本相对高于CMOS。
解析度差异:在第一点『感光度差异』中,由于 CMOS 每个画素的结构比 CCD
複杂,其感光开口不及CCD大,相对比较相同尺寸的CCD与CMOS感光器时,
CCD感光器的解析度通常会优于CMOS。不过,如果跳脱尺寸限制,目前业界的
CMOS 感光原件已经可达到1400万 画素 / 全片幅的设计,CMOS 技术在量率
上的优势可以克服大尺寸感光原件製造上的困难,特别是全片幅
24mm-by-36mm 这样的大小。
杂讯差异:由于CMOS每个感光二极体旁都搭配一个 ADC 放大器,如果以百万
画素计,那麽就需要百万个以上的 ADC 放大器,虽然是统一製造下的产品,但
是每个放大器或多或少都有些微的差异存在,很难达到放大同步的效果,对比单
一个放大器的CCD,CMOS最终计算出的杂讯就比较多。
耗电量差异:CMOS的影像电荷驱动方式为主动式,感光二极体所产生的电荷会
直接由旁边的电晶体做放大输出;但CCD却为被动式,必须外加电压让每个画
素中的电荷移动至传输通道。而这外加电压通常需要12伏特(V)以上的水平,
因此 CCD 还必须要有更精密的电源线路设计和耐压强度,高驱动电压使 CCD
的电量远高于CMOS。
尽管 CCD 在影像品质等各方面均优于CMOS,但不可否认的CMOS具有低成本、
低耗电以及高整合度的特性。由于数位影像的需求热烈,CMOS的低成本和稳定
供货,成为厂商的最爱,也因此其製造技术不断地改良更新,使得 CCD 与 CMOS
两者的差异逐渐缩小 。
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。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
感光器件的工作原理
电荷藕合器件图像传感器CCD(Charge Coupled Device),它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。
索尼F828用2/3型CCD 尼康D80用APS-C型CCD
800万像素(8.8x6.6mm) 1020万像素(23.6x15.8mm)
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:索尼、菲利普、柯达、松下、富士和夏普,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。
索尼R1用APS-C型CMOS
1020万像素(21.5x14.4mm)
互补性氧化金属半导体CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor)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。
富士 超级(SUPER)CCD
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
两种感光元件的区别
由两种感光器件的工作原理可以看出,CCD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。
CMOS传感器的工作方式
影响感光器件因素
对于数码相机来说,影像感光器件成像的因素主要有两个方面:一是感光器件的面积;
二是感光器件的色彩深度。
感光器件面积越大,成像较大,相同条件下,能记录更多的图像细节,各像素间的干扰
也小,成像质量越好。但随着数码相机向时尚小巧化的方向发展,感光器件的面积也只能是
越来越小。
除了面积之外,感光器件还有一个重要指标,就是色彩深度,也就是色彩位,就是用多
少位的二进制数字来记录三种原色。非专业型数码相机的感光器件一般是24位的,高档点
的采样时是30位,而记录时仍然是24位,专业型数码相机的成像器件至少是36位的,据
说已经有了48位的CCD。对于24位的器件而言,感光单元能记录的光亮度值最多有2^8=256
级,每一种原色用一个8位的二进制数字来表示,最多能记录的色彩是256x256x256约16,77
万种。对于36位的器件而言,感光单元能记录的光亮度值最多有2^12=4096级,每一种原
色用一个12位的二进制数字来表示,最多能记录的色彩是4096x4096x4096约68.7亿种。
举例来说,如果某一被摄体,最亮部位的亮度是最暗部位亮度的400倍,用使用24位感光
器件的数码相机来拍摄的话,如果按低光部位曝光,则凡是亮度高于256倍的部位,均曝光
过度,层次损失,形成亮斑,如果按高光部位来曝光,则某一亮度以下的部位全部曝光不足,
如果用使用了36位感光器件的专业数码相机,就不会有这样的问题。
感光元件未来的发展
CCD是1969年由美国的贝尔研究室所开发出来的。进入80年代,CCD影像传感器虽然
有缺陷,由于不断的研究终于克服了困难,而于80年代后半期制造出高分辨率且高品质的
CCD。到了90年代制造出百万像素之高分辨率CCD,此时CCD的发展更是突飞猛进,算
一算CCD 发展至今也有二十多个年头了。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。但为了在CCD面积减小的同时提高图像的成像质量,
SONY与1989年开发出了SUPER HAD CCD,这种新的感光器件是在CCD面积减小的情
况下,依靠CCD组件内部放大器的放大倍率提升成像质量。以后相继出现了NEW
STRUCTURE CCD、EXVIEW HAD CCD、四色滤光技术(专为SONY F828所应用)。而富
士数码相机则采用了超级CCD(Super CCD)、Super CCD SR。
对于CMOS来说,具有便于大规模生产,且速度快、成本较低,将是数字相机关键器件
的发展方向。目前,在CANON等公司的不断努力下,新的CMOS器件不断推陈出新,高
动态范围CMOS器件已经出现,这一技术消除了对快门、光圈、自动增益控制及伽玛校正
的需要,使之接近了CCD的成像质量。另外由于CMOS先天的可塑性,可以做出高像素的
大型CMOS感光器而成本却不上升多少。相对于CCD的停滞不前相比,CMOS作为新生事
物而展示出了蓬勃的活力。作为数码相机的核心部件,CMOS感光器以已经有逐渐取代CCD
感光器的趋势,并有希望在不久的将来成为主流的感光器。
2024年9月17日发(作者:节峯)
CCD与CMOS传感器是当前被普遍采用的两种图像传感器,两者都是利用感光二
极管(photodiode)进行光电转换,将图像转换为数字数据,而其主要差异是“数
字数据传送”的方式不同。
区别之处:
CCD传感器中每一行中每一个象素的电荷数据都会依次传送到下一个象素
中,由最底端部分输出,再经由传感器边缘的放大器进行放大输出;
而在CMOS传感器中,每个象素都会邻接一个放大器及A/D转换电路,用类
似内存电路的方式将数据输出。
造成这种差异的原因在于:
CCD的特殊工艺可保证数据在传送时不会失真,因此各个象素的数据可汇聚
至边缘再进行放大处理;
而CMOS工艺的数据在传送距离较长时会产生噪声,因此,必须先放大,再
整合各个象素的数据。
综合区别:
1、在象素尺寸相同的情况下,CMOS传感器的灵敏度要低于CCD传感器。
2、CCD传感器的成本会高于CMOS传感器。
3、相同尺寸的CCD与CMOS传感器,CCD传感器的分辨率通常会优于CMOS传感
器的水平。
4、CMOS传感器的噪点会比CCD多,容易影响图像品质。
5、CCD功耗远高于CMOS传感器。
但在数码单反相机中,也有一些高端的的机型使用了新开发出来的高动态范围
CMOS器件(像素内电荷完全转送技术)。
这一技术消除了对快门、光圈、自动增益控制及伽玛校正的需要,使之接近了
CCD的成像质量。另外由于CMOS先天的可塑性,可以做出高像素的大型CMOS感
光器而成本却不上升多少。
CCD与CMOS传感器是当前被普遍采用的两种图像传感器,两者都是利用感光二极管
(photodiode)进行光电转换,将图像转换为数字数据,而其主要差异是数字数据传送的方式
不同。 如下图所示,CCD传感器中每一行中每一个象素的电荷数据都会依次传送到下一个
象素中,由最底端部分输出,再经由传感器边缘的放大器进行放大输出;而在CMOS传感
器中,每个象素都会邻接一个放大器及A/D转换电路,用类似内存电路的方式将数据输出。
左图为CCD传感器的结构,右图为CMOS传感器的结构
造成这种差异的原因在于:CCD的特殊工艺可保证数据在传送时不会失真,因此各个
象素的数据可汇聚至边缘再进行放大处理;而CMOS工艺的数据在传送距离较长时会产生
噪声,因此,必须先放大,再整合各个象素的数据。
由于数据传送方式不同,因此CCD与CMOS传感器在效能与应用上也有诸多差异,
这些差异包括:
1. 灵敏度差异:由于CMOS传感器的每个象素由四个晶体管与一个感光二极管构成(含
放大器与A/D转换电路),使得每个象素的感光区域远小于象素本身的表面积,因此在象素
尺寸相同的情况下,CMOS传感器的灵敏度要低于CCD传感器。
2. 成本差异:由于CMOS传感器采用一般半导体电路最常用的CMOS工艺,可以轻
易地将周边电路(如AGC、CDS、Timing generator、或DSP等)集成到传感器芯片中,因
此可以节省外围芯片的成本;除此之外,由于CCD采用电荷传递的方式传送数据,只要其
中有一个象素不能运行,就会导致一整排的数据不能传送,因此控制CCD传感器的成品率
比CMOS传感器困难许多,即使有经验的厂商也很难在产品问世的半年内突破 50%的水
平,因此,CCD传感器的成本会高于CMOS传感器。
3. 分辨率差异:如上所述,CMOS传感器的每个象素都比CCD传感器复杂,其象素
尺寸很难达到CCD传感器的水平,因此,当我们比较相同尺寸的CCD与CMOS传感器时,
CCD传感器的分辨率通常会优于CMOS传感器的水平。例如,目前市面上CMOS传感器
最高可达到210万象素的水平(OmniVision的 OV2610,2002年6月推出),其尺寸为1/2
英寸,象素尺寸为4.25μm,但Sony在2002年12月推出了ICX452,其尺寸与 OV2610
相差不多(1/1.8英寸),但分辨率却能高达513万象素,象素尺寸也只有2.78mm的水平。
4. 噪声差异:由于CMOS传感器的每个感光二极管都需搭配一个放大器,而放大器属
于模拟电路,很难让每个放大器所得到的结果保持一致,因此与只有一个放大器放在芯片边
缘的CCD传感器相比,CMOS传感器的噪声就会增加很多,影响图像品质。
5. 功耗差异:CMOS传感器的图像采集方式为主动式,感光二极管所产生的电荷会直
接由晶体管放大输出,但CCD传感器为被动式采集,需外加电压让每个象素中的电荷移动,
而此外加电压通常需要达到12~18V;因此,CCD传感器除了在电源管理电路设计上的难
度更高之外(需外加 power IC),高驱动电压更使其功耗远高于CMOS传感器的水平。举例
来说,OmniVision近期推出的OV7640(1/4英寸、VGA),在 30 fps的速度下运行,功耗
仅为40mW;而致力于低功耗CCD传感器的Sanyo公司去年推出了1/7英寸、CIF等级的
产品,其功耗却仍保持在90mW 以上,虽然该公司近期将推出35mW的新产品,但仍与
CMOS传感器存在差距,且仍处于样品阶段。
综上所述,CCD传感器在灵敏度、分辨率、噪声控制等方面都优于CMOS传感器,而CMOS
传感器则具有低成本、低功耗、以及高整合度的特点。不过,随着CCD与CMOS传感器技术
的进步,两者的差异有逐渐缩小的态势,例如,CCD传感器一直在功耗上作改进,以应用于
移动通信市场(这方面的代表业者为Sanyo);CMOS传感器则在改善分辨率与灵敏度方面的不
足,以应用于更高端的图像产品,我们可以从以下各主要厂商的产品规划来看出一些端倪。
数码相机采用电子元器件成像而非胶卷——这是数码相机与传统相机最本质的区别所在。数
码相机的成像器件主要分为两类:
CCD——英文Charge Couple Device的缩写,中文名称―电荷耦合器件‖。
CMOS——英文Complementary Metal-Oxide Semiconductor的缩写,中文名
称为―互补金属氧化物半导体‖。
CCD技术成熟,成像质量好,毕竟它是现在应用的最广泛的成像元件,优点在
于
1)CCD从一开始就是为图像而生。CCD从根本上说,就是采用为图像和电荷
传输优化设计的制造技术。
这种技术,保证了CCD的性能不会因为减小像素尺寸,而发生降低。这种
专用技术的应用,当然也造成了CCD的一大劣势--不能集成其他图像处理功
能到这块传感器上。
2)CCD传感器从根本上避免了由于像素窜扰产生的fixed-pattern noise (固定图
样噪声,FPN),
以及temporal noise(暂时噪声)。而这两种噪音在CMOS上是永远不能避免
的。
但它也有其缺点:
1)耗电量大。早期的数码相机有―电老虎‖的―美誉‖,主要原因之一便来自CCD。
虽然现在采用低温
多晶硅显示屏等低能耗的部件在一定程度上降低了相机的功率,但CCD依然是
数码相机的耗电大户——CCD从数码相机一开机便随时保持着工作状态,更是
无谓地消耗大量的电能。
2) 工艺复杂,成本较高。CCD复杂的结构决定了它制造工艺的复杂性,因而
到目前为止,
CCD还只有为数不多的几家电子产业巨头能生产。
3)像素提升难度大。CCD前两个缺点也直接导致了这一个缺点,CCD像素提
升无非是通过两个途径:
第一,保持感光元件单位面积不变而增大CCD面积,在大面积CCD上
集成更多的感光元件。但是这种方式会导致CCD成品率降低,制造成本更高,
功耗更大,在民用领域这是
不现实的;第二,缩小感光元件单位面积,在现有水平的CCD面积上集成更多
感光元件。
但是这种方法会减少感光元件的单位感光面积,降低CCD整体的灵敏度和动态
范围,
影响画质。
CMOS在最近几年的发展速度相当不错,大有与CCD分庭抗争之势——就连目
前最顶级的DSLR(
单镜头反光数码相机)柯达(Kodak)DCS 14n与佳能(Canon) EOS 1Ds
均是采用CMOS成像。
相比CCD,CMOS有几个最突出的优点:
1) 价格低廉,制造工艺简单。CMOS可以利用普通半导体生产线进行生产,
不象CCD那样要求
特殊的生产工艺,所以制造成本低得多。而且CMOS尺寸与成品率都不如
CCD有很多限制。
2)耗电量低。虽然CMOS的滤镜布局与CCD差别不大,但在感光单元的电路
结构上却有很大差别。
CMOS每个感光元件都具备独立的电荷/电压转换电路,可将光电转换
后的电信号独立放大输出——这比起CCD将所有的信号全部收集起来再放大输
出,速度快了很多。
而且
CMOS的感光元件只在感光成像时才会工作,所以比CCD更省电。但CMOS
同样存在缺点,
如果在使用数码相机时成像动作较多,那么CMOS在频繁的启动过程中会因为
多变的电流而产生热量,导致杂波并影响画质。
3)便于集成。通过CMOS工艺可以方便地做出具有缓存、像素级图像处理、
A/D、D/A集成
的SoC方案。CCD结构和原理上不允许这么做。
4)CMOS图像传感器结构上便于采用高速的并行读取体系。就像今年IEEE一
个会议上,
SONY发布了连拍速度高达60FPS的CMOS传感器。从读取架构上看,CMOS
具有决定性的优势。由于CCD原理、结构的限制,它不能采用这种并行的读取
架构,只能另辟蹊径。
手机的数码相机功能指的是手机是否可以通过内置或是外接的数码相机进行拍
摄静态图片
或短片拍摄,作为手机的一项新的附加功能,手机的数码相机功能得到了
迅速的发展。
手机摄像头分为内置与外置,内置摄像头是指摄像头在手机内部,更方便。
外置手机通过数据线或者手机下部接口与数码相机相连,来完成数码相机的一切
拍摄功能。
外置数码相机的优点在于可以减轻手机的重量,而且外置数码相机重量轻,携带
方便,
使用方法简单。
处于发展阶段的手机的数码相机的性能应该也处于初级阶段,带有光学变焦的手
机
目前国内销售的还没有这个功能,不过相信随着手机数码相机功能的发展,带有
光学变焦的手机也会逐渐上市,但大部分都拥有数码变焦功能。除此之外,目前
手机的
数码相机功能主要
包括拍摄静态图像,连拍功能,短片拍摄,镜头可旋转,自动白平衡,内置闪光
灯等等。
手机的拍摄功能是与其屏幕材质、屏幕的分辨率、摄像头像素、摄像头材质有直
接关系。
像素:数码相机的像素数包括有效像素(Effective Pixels)和最大像素(Maximum
Pixels)。
与最大像素不同的是有效像素数是指真正参与感光成像的像素值,
而最高像素的数值是感光器件的真实像素,这个数据通常包含了感光器件的非成
像部分,
而有效像素是在镜头变焦倍率下所换算出来的值。
对于手机的数码相机像素,目前只能处于初级发展阶段,像素数并不很高,
大都在10万--130万像素之间。数码相机的像素数越大,所拍摄的静态图像的
分辨率
也越大,相应的一张图片所占用的空间也会增大。
有效像素:有效像素数英文名称为Effective Pixels。与最大像素不同,
有效像素数是指真正参与感光成像的像素值。最高像素的数值是感光器件的真实
像素,
这个数据通常包含了感光器件的非成像部分,而有效像素是在镜头变焦倍率下所
换算出来的值。
数码图片的储存方式一般以像素(Pixel)为单位,每个象素是数码图片里面积
最小的单位。
像素越大,图片的面积越大。要增加一个图片的面积大小,如果
没有更多的光进入感光器件,唯一的办法就是把像素的面积增大,这样一来,
可能会影响图片的锐力度和清晰度。所以,在像素面积不变的情况下,数码相机
能获得最大的图片像素,即为有效像素。
最大像素:最大像素英文名称为Maximum Pixels,所谓的最大像素是经过插值
运算后获得的。
插值运算通过设在数码相机内部的DSP芯片,在需要放大图像
时用最临近法插值、线性插值等运算方法,在图像内添加图像放大后所需要增加
的像素。
插值运算后获得的图像质量不能够与真正感光成像的图像相比。以
最大像素拍摄的图片清晰度比不上以有效像素拍摄的。
传感器:作为手机新型的拍摄功能,内置的数码相机功能与我们平时所见到的低
端的
(10万--130万像素)数码相机相同。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。目前手机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。
CCD:电荷藕合器件图像传感器CCD(Charge Coupled Device),它使用一
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、Philps、Kodak、Matsushita、Fuji和Sharp,大半是日本厂商。
CMOS:互补性氧化金属半导体CMOS(Complementary Metal-Oxide
Semiconductor)
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。
CCM:CCM其实就是CMOS镜头,只是CCM的画质比CMOS高一点,
拍照时感应速度也较快,但以照片品质来说还是逊色于CCD镜头,
在实际拍摄中也可以感觉出来,取景速度非常快,就算迅速移动手机摄像头时,
屏幕都可以迅速显示所捕抓的画面,过程非常流畅,几乎没
有什么延迟。
CCD与CMOS有什么不同
由两种感光器件的工作原理可以看出,CCD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
摄想头使用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影像传感器的优点之一是电源消耗量比CCD低,CCD为提供优异
的影像品质,付出代价即是较高的电源消耗量,
为使电荷传输顺畅,噪声降低,需由高压差改善传输效果。但CMOS影像
传感器将每一画素的电荷转换成电压,读取前便将其放大,
利用3.3V的电源即可驱动,电源消耗量比CCD低。CMOS影像传感器的
另一优点,是与周边电路的整合性高,可将ADC与讯号处理器
整合在一起,使体积大幅缩小,例如,CMOS影像传感器只需一组电源,
CCD却需三或四组电源,由于ADC与讯号处理器的制程
与CCD不同,要缩小CCD套件的体积很困难。但目前CMOS影像传感器
首要解决的问题就是降低噪声的产生,未来CMOS影像传感器
是否可以改变长久以来被CCD压抑的宿命,往后技术的发展是重要关键。
感光器件的发展
CCD是1969年由美国的贝尔研究室所开发出来的。进入80年代,CCD
影像传感器虽然有缺陷,由于不断的研究终于克服了困难,
而于80年代后半期制造出高分辨率且高品质的CCD。到了90年代制造出
百万像素之高分辨率CCD,此时CCD的发展更是突飞猛进,
算一算CCD 发展至今也有二十多个年头了。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。
但为了在CCD面积减小的同时提高图像的成像质量,SONY与1989年
开发出了SUPER HAD CCD,这种新的感光器件是在CCD面积
减小的情况下,依靠CCD组件内部放大器的放大倍率提升成像质量。
以后相继出现了NEW STRUCTURE CCD、EXVIEW HAD CCD、
四色滤光技术(专为SONY F828所应用)。而富士数码相机则
采用了超级CCD(Super CCD)、Super CCD SR。
对于CMOS来说,具有便于大规模生产,且速度快、成本较低,
将是数字相机关键器件的发展方向。目前,在CANON等公司的
不断努力下,新的CMOS器件不断推陈出新,高动态范围CMOS器件已经出现,
这一技术消除了对快门、光圈、自动增益控制及
伽玛校正的需要,使之接近了CCD的成像质量。另外由于CMOS先天的可塑
性,
可以做出高像素的大型CMOS感光器而成本却不
上升多少。相对于CCD的停滞不前相比,CMOS作为新生事物而展示出了蓬勃
的活力。
作为数码相机的核心部件,CMOS感光器
以已经有逐渐取代CCD感光器的趋势,并有希望在不久的将来成为主流的感光
器。
影像感光器件因素
对于数码相机来说,影像感光器件成像的因素主要有两个方面:一是感光器件的
面积;
二是感光器件的色彩深度。
感光器件面积越大,成像较大,相同条件下,能记录更多的图像细节,
各像素间的干扰也小,成像质量越好。但随着数码相机
向时尚小巧化的方向发展,感光器件的面积也只能是越来越小。
除了面积之外,感光器件还有一个重要指标,就是色彩深度,也就是色彩位,
就是用多少位的二进制数字来记录三种原色。
非专业型数码相机的感光器件一般是24位的,高档点的采样时是30位,
而记录时仍然是24位,专业型数码相机的成像器件
至少是36位的,据说已经有了48位的CCD。对于24位的器件而言,
感光单元能记录的光亮度值最多有2^8=256级,每一种原色
用一个8位的二进制数字来表示,最多能记录的色彩是256x256x256约16,77
万种。
对于36位的器件而言,感光单元能记录的
光亮度值最多有2^12=4096级,每一种原色用一个12位的二进制数字来表示,
最多能记录的色彩是4096x4096x4096约68.7亿种。
举例来说,如果某一被摄体,最亮部位的亮度是最暗部位亮度的400倍,
用使用24位感光器件的数码相机来拍摄的话,
如果按低光部位曝光,则凡是亮度高于256备的部位,均曝光过度,
层次损失,形成亮斑,如果按高光部位来曝光,
则某一亮度以下的部位全部曝光不足,如果用使用了36位感光器件的
专业数码相机,就不会有这样的问题。
对于只提供全帧图像的CCD图像传感器而言,只有采用一个分离的评估电路
才能够提供两个观测角度,这意味着处理
时间和成本的增加。然而,CMOS图像传感器的工作原理则与RAM相似,
所有的存储位均可单独读出。CMOS传感器
的二次采样虽然提供了较低的分辨率,但是帧速率较高;而开窗口则允许
随机选择一块感兴趣的区域。CCD图像转换器
仍然需要采用外部逻辑电路来实现控制和模拟/数字转换功能,而CMOS标准
逻辑器件则能够把传感器、控制器、转换器
和评估逻辑电路等全部集成到一块芯片之中。
CCD和CMOS的区别
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。
CCD是目前比较成熟的成像器件,CMOS被看作未来的成像器件。 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 SMOS 一般
分辨率低而成像较差。
不管,CCD 或 CMOS,基本上两者都是利用矽感光二极体(photodiode)
进行光与电的转换。这种转换的原理与各位手上具备―太阳电能‖电子计算机的―太
阳能电池‖效应相近,光线越强、电力越强;反之,光线越弱、电力也越弱的道
理,将光影像转换为电子数字信号。
比较 CCD 和 CMOS 的结构,ADC的位置和数量是最大的不同。简单的
说,按我们在上一讲―CCD 感光元件的工作原理(上)‖中所提之内容。CCD每
曝光一次,在快门关闭后进行像素转移处理,将每一行中每一个像素(pixel)的
电荷信号依序传入―缓冲器‖中,由底端的线路引导输出至 CCD 旁的放大器进行
放大,再串联 ADC 输出;相对地,CMOS 的设计中每个像素旁就直接连着
ADC(放大兼类比数字信号转换器),讯号直接放大并转换成数字信号。
两者优缺点的比较
CCD 与CMOS
设计 单一感光器 感光器连接放大器
灵敏度 同样面积下高 感光开口小,灵敏度低
成本 线路品质影响程度高,成本高 CMOS整合集成,成本低
解析度 连接复杂度低,解析度高 低,新技术高
噪点比 单一放大,噪点低 百万放大,噪点高
功耗比 需外加电压,功耗高 直接放大,功耗低
由于构造上的基本差异,我们可以表列出两者在性能上的表现之不同。CCD
的特色在于充分保持信号在传输时不失真(专属通道设计),透过每一个像素集
合至单一放大器上再做统一处理,可以保持资料的完整性;CMOS的制程较简
单,没有专属通道的设计,因此必须先行放大再整合各个像素的资料。
整体来说,CCD 与 CMOS 两种设计的应用,反应在成像效果上,形成包
括 ISO 感光度、制造成本、解析度、噪点与耗电量等,不同类型的差异:
ISO 感光度差异:由于 CMOS 每个像素包含了放大器与A/D转换电路,
过多的额外设备压缩单一像素的感光区域的表面积,因此 相同像素下,同样大
小之感光器尺寸,CMOS的感光度会低于CCD。
成本差异:CMOS 应用半导体工业常用的 MOS制程,可以一次整合全部
周边设施于单晶片中,节省加工晶片所需负担的成本 和良率的损失;相对地
CCD 采用电荷传递的方式输出资讯,必须另辟传输通道,如果通道中有一个像
素故障(Fail),就会导致一整排的 讯号壅塞,无法传递,因此CCD的良率比
CMOS低,加上另辟传输通道和外加 ADC 等周边,CCD的制造成本相对高于
CMOS。
解析度差异:在第一点―感光度差异‖中,由于 CMOS 每个像素的结构比
CCD 复杂,其感光开口不及CCD大, 相对比较相同尺寸的CCD与CMOS感
光器时,CCD感光器的解析度通常会优于CMOS。不过,如果跳脱尺寸限制,
目前业界的CMOS 感光原件已经可达到1400万 像素 / 全片幅的设计,CMOS
技术在量率上的优势可以克服大尺寸感光原件制造上的困难,特别是全片幅
24mm-by-36mm 这样的大小。
噪点差异:由于CMOS每个感光二极体旁都搭配一个 ADC 放大器,如果
以百万像素计,那么就需要百万个以上的 ADC 放大器,虽然是统一制造下的
产品,但是每个放大器或多或少都有些微的差异存在,很难达到放大同步的效果,
对比单一个放大器的CCD,CMOS最终计算出的噪点就比较多。
耗电量差异:CMOS的影像电荷驱动方式为主动式,感光二极体所产生的
电荷会直接由旁边的电晶体做放大输出;但CCD却为被动式, 必须外加电压
让每个像素中的电荷移动至传输通道。而这外加电压通常需要12伏特(V)以
上的水平,因此 CCD 还必须要有更精密的电源线路设计和耐压强度,高驱动
电压使 CCD 的电量远高于CMOS。
尽管 CCD 在影像品质等各方面均优于CMOS,但不可否认的CMOS具有
低成本、低耗电以及高整合度的特性。 CMOS的低成本和稳定供货,成为厂商
的最爱,也因此其制造技术不断地改良更新,使得 CCD 与 CMOS 两者的差
异逐渐缩小 。新一代的CCD朝向耗电量减少作为改进目标, CMOS系列,则
开始朝向大尺寸面积与高速影像处理晶片统合,藉由后续的影像处理修正噪点以
及画质表现, 特别是 Canon 系列的 EOS D30 、EOS 300D 的成功,足见高
速影像处理晶片已经可以胜任高像素 CMOS 所产生的影像处理时间与能力的
缩短CMOS未来跨足高阶的影像市场产品,前景可期。
感光元件 CCD及CMOS对比介绍
CCD 英文全名 Charge Coupled Device,感光耦合元件,CCD为数位相机中可记录光
线变化的半导体,通常以百万像素〈megapixel〉为单位。数位相机规格中的多少百万像素,
指的就是CCD的解析度,也代表着这台数位相机的 CCD 上有多少感光元件。
CCD 主要材质为硅晶半导体,基本原理类似 CASIO 计算机上的太阳能电池,透过光电效
应,由感光元件表面感应来源光线,从而转换成储存电荷的能力。简单的说,当 CCD 表面
接受到快门开启,镜头进来的光线照射时, 即会将光线的能量转换成电荷,光线越强、电
荷也就越多,这些电荷就成为判断光线强弱大小的依据。CCD 元件上安排有通道线路,将
这些电荷传输至放大解码原件,就能还原 所有CCD上感光元件产生的讯号,并构成了一幅
完整的画面。此一特性,使得 CCD 通用在数位相机〈Digital Camera〉与扫瞄器〈Scanner〉
上,作为目前最大宗之感光元件来源。
CMOS 英文全名 Complementary Metal-Oxide Semiconductor,互补性氧化金属
半导体,CMOS和CCD一样同为在数码相机中可记录光线变化的半导体 ,外观上几乎无
分轩轾。但,CMOS的製造技术和CCD 不同,反而比较接近一般电脑晶片。CMOS的材质
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晶片纪录和解读成影
像。然而,CMOS因为在画素的旁边就放置了讯号放大器,导致其缺点容易出现杂点 ,特
别是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,更使得杂讯难以
抑制。
CCD和CMOS相机的成像特点对比:
CCD
采用CCD的数码单反,图像饱和度较高,图像较为锐利,质感更加真实,尤其
是在低感光度下,成像有良好的表现。但是,从目前数码单反的表现来看,CCD
的噪点随着感光度的升高而增加较快,高感光度下的噪点控制并不是CCD传感
器的强项也就是说,CCD传感器的优势表现在低感光度下,这时候能充分发挥C
CD传感器的优势,比如色彩鲜艳,图像质感鲜活等等。CCD的另一个特点是,
它的表面更容易形成静电场,所以比更容易吸附灰尘。所以,对于采用CCD传
感器的数码单反来说,你可能需要更注意防尘。目前,在市场上主流的数码单反
中,采用CCD传感器的数码单反包括尼康D40/D40X,D60,D80,D200,索尼
a100/200/300/350,
CMOS
CMOS的特性在某些程度上跟CCD完全相反。CMOS传感器在低感光度下的成
像也非常干净,但是,采用CMOS传感器的数码单反成像看上去偏灰(在不调
整的情况下),色彩饱和度较低,质感和锐度的表现也要稍逊一筹。但是,目前
大多数CMOS具备硬件降噪机制,所以噪点随着感光度的升高增加较慢,所以,
在高感光度下,CMOS传感器表现反而好过CCD传感器。佳能的全系列数码单
反均采用CMOS传感器,这也是佳能的数码单反在高感光度下表现较好的一个
原因。而尼康D300、D700、D3,索尼a700、宾得K20D、三星GX-20等采用C
MOS传感器的数码单反在高感光度下也有较好的表现。CMOS的另一个优点是
数据读取速度快,因此那些连拍速度较快的数码单反都清一色采用CMOS传感
器。另外,CMOS相对CCD的功耗较低,除了省电以外,也相对较不容易吸附
灰尘。
CMOS 对抗 CCD的优势在于成本低,耗电需求少, 便于制造, 可以与影像处理
电路同处于一个晶片上。但由于上述的缺点,CMOS 只能在经济型的数位相机
市场中生存。 不过,新一代 『Fill Factor CMOS』 成为解决这个难题的救星,
Fill factor CMOS 属于此型感测器中最先进的製程技术。最大的差别在于提高
Fill Factor(单一画素中可吸收光的面积对整个画素的比例),有效做到提升敏
感度、放大CMOS面积(全画幅)和降低杂讯的影响。再将 Fill Factor CMOS
与 CCD 感光器比较发现,CCD 受限于良率和结构製程,面积越小,画素越高,
相对成本也就越低;Fill Factor CMOS 刚好相反,由于感光开口加大,FF CMO
S 可以挑战更高画素,更大面积(全画幅),甚至就产出比例来说,FF CMOS
单一晶圆的附加价值更大。
由于 Fill Factor CMOS 技术的特殊性,自身拥有晶圆生产设备的Canon 可以
说是最早体悟到 Fill Factor CMOS 的市场潜力。Canon EOS D30 是该公司最
早选择以 FF CMOS当感光元件数位 DSLR 产品,低廉的价格颇受消费者支持。
虽然,EOS D30的画质表现普通,不过,后续的研究整合了完整的图像处理引
擎等,更高速且尖端的影像技术,今日,採用大画素、全片幅之 Fill Factor CM
OS 已经成为主流,高阶旗舰级全片幅数位机身包括:Canon 1DsMarkII、Koda
k DCS Pro/c 也全面採用 Fill factor CMOS。
比较 CCD 和 CMOS 的结构,放大器的位置和数量是最大的不同之处,简单地
解释:CCD 每曝光一次,自快门关闭或是内部时脉自动断线(电子快门)后,
即进行画素转移处理,将每一行中每一个画素(pixel)的电荷信号依序传入『缓
冲器(电荷储存器)』中,由底端的线路导引输出至 CCD 旁的放大器进行放大,
再串联 ADC(类比数位资料转换器) 输出;相对地,CMOS 的设计中每个画素
旁就直接连着『放大器』,光电讯号可直接放大再经由 BUS 通路移动至 ADC
中转换成数位资料。
CCD 与 CMOS 感光元件之优缺点比较.
设计
灵敏度
成本
解析度
讯比
耗能比
反应速度
CCD
单一感光器
同样面积下较高
高
结构複杂度低解析度高
多元放大器 杂讯低
需外加电压导出电荷,耗能高
慢
CMOS
感光器连结放大器
感光开口小 灵敏度低
低
传统技术较低
误差大 杂讯高
像素直接放大,耗能低
快
由于构造上的基本差异,我们可以看出CCD和CMOS在性能上的不同:
CCD的特色在于充分保持信号在传输时不失真(专属通道设计),透过每一个
画素集合至单一放大器上再做统一处理,可以保持资料的完整性;CMOS的制
程较简单,没有专属通道的设计,因此必须先行放大再整合各个画素的资料。
整体来说,CCD 与 CMOS 两种设计的应用,反应在成像效果上,形成包括 ISO
感光度、製造成本、解析度、杂讯与耗电量等,不同类型的差异对比如下:
ISO感光度差异:由于 CMOS 每个画素包含了放大器与A/D转换电路,过多的
额外设备压缩单一画素的感光区域的表面积,因此在 相同画素下,同样大小之
感光器尺寸,CMOS的感光度会低于CCD。
成本差异:CMOS 应用半导体工业常用的 MOS制程,可以一次整合全部周边设
施于单晶片中,节省加工晶片所需负担的成本 和良率的损失;相对地 CCD 採
用电荷传递的方式输出资讯,必须另闢传输通道,如果通道中有一个画素故障
(Fail),就会导致一整排的讯号壅塞,无法传递,因此CCD的良率比CMOS
低,加上另闢传输通道和外加 ADC 等周边,CCD的製造成本相对高于CMOS。
解析度差异:在第一点『感光度差异』中,由于 CMOS 每个画素的结构比 CCD
複杂,其感光开口不及CCD大,相对比较相同尺寸的CCD与CMOS感光器时,
CCD感光器的解析度通常会优于CMOS。不过,如果跳脱尺寸限制,目前业界的
CMOS 感光原件已经可达到1400万 画素 / 全片幅的设计,CMOS 技术在量率
上的优势可以克服大尺寸感光原件製造上的困难,特别是全片幅
24mm-by-36mm 这样的大小。
杂讯差异:由于CMOS每个感光二极体旁都搭配一个 ADC 放大器,如果以百万
画素计,那麽就需要百万个以上的 ADC 放大器,虽然是统一製造下的产品,但
是每个放大器或多或少都有些微的差异存在,很难达到放大同步的效果,对比单
一个放大器的CCD,CMOS最终计算出的杂讯就比较多。
耗电量差异:CMOS的影像电荷驱动方式为主动式,感光二极体所产生的电荷会
直接由旁边的电晶体做放大输出;但CCD却为被动式,必须外加电压让每个画
素中的电荷移动至传输通道。而这外加电压通常需要12伏特(V)以上的水平,
因此 CCD 还必须要有更精密的电源线路设计和耐压强度,高驱动电压使 CCD
的电量远高于CMOS。
尽管 CCD 在影像品质等各方面均优于CMOS,但不可否认的CMOS具有低成本、
低耗电以及高整合度的特性。由于数位影像的需求热烈,CMOS的低成本和稳定
供货,成为厂商的最爱,也因此其製造技术不断地改良更新,使得 CCD 与 CMOS
两者的差异逐渐缩小 。
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。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
感光器件的工作原理
电荷藕合器件图像传感器CCD(Charge Coupled Device),它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。
索尼F828用2/3型CCD 尼康D80用APS-C型CCD
800万像素(8.8x6.6mm) 1020万像素(23.6x15.8mm)
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:索尼、菲利普、柯达、松下、富士和夏普,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。
索尼R1用APS-C型CMOS
1020万像素(21.5x14.4mm)
互补性氧化金属半导体CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor)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。
富士 超级(SUPER)CCD
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
两种感光元件的区别
由两种感光器件的工作原理可以看出,CCD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。
CMOS传感器的工作方式
影响感光器件因素
对于数码相机来说,影像感光器件成像的因素主要有两个方面:一是感光器件的面积;
二是感光器件的色彩深度。
感光器件面积越大,成像较大,相同条件下,能记录更多的图像细节,各像素间的干扰
也小,成像质量越好。但随着数码相机向时尚小巧化的方向发展,感光器件的面积也只能是
越来越小。
除了面积之外,感光器件还有一个重要指标,就是色彩深度,也就是色彩位,就是用多
少位的二进制数字来记录三种原色。非专业型数码相机的感光器件一般是24位的,高档点
的采样时是30位,而记录时仍然是24位,专业型数码相机的成像器件至少是36位的,据
说已经有了48位的CCD。对于24位的器件而言,感光单元能记录的光亮度值最多有2^8=256
级,每一种原色用一个8位的二进制数字来表示,最多能记录的色彩是256x256x256约16,77
万种。对于36位的器件而言,感光单元能记录的光亮度值最多有2^12=4096级,每一种原
色用一个12位的二进制数字来表示,最多能记录的色彩是4096x4096x4096约68.7亿种。
举例来说,如果某一被摄体,最亮部位的亮度是最暗部位亮度的400倍,用使用24位感光
器件的数码相机来拍摄的话,如果按低光部位曝光,则凡是亮度高于256倍的部位,均曝光
过度,层次损失,形成亮斑,如果按高光部位来曝光,则某一亮度以下的部位全部曝光不足,
如果用使用了36位感光器件的专业数码相机,就不会有这样的问题。
感光元件未来的发展
CCD是1969年由美国的贝尔研究室所开发出来的。进入80年代,CCD影像传感器虽然
有缺陷,由于不断的研究终于克服了困难,而于80年代后半期制造出高分辨率且高品质的
CCD。到了90年代制造出百万像素之高分辨率CCD,此时CCD的发展更是突飞猛进,算
一算CCD 发展至今也有二十多个年头了。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。但为了在CCD面积减小的同时提高图像的成像质量,
SONY与1989年开发出了SUPER HAD CCD,这种新的感光器件是在CCD面积减小的情
况下,依靠CCD组件内部放大器的放大倍率提升成像质量。以后相继出现了NEW
STRUCTURE CCD、EXVIEW HAD CCD、四色滤光技术(专为SONY F828所应用)。而富
士数码相机则采用了超级CCD(Super CCD)、Super CCD SR。
对于CMOS来说,具有便于大规模生产,且速度快、成本较低,将是数字相机关键器件
的发展方向。目前,在CANON等公司的不断努力下,新的CMOS器件不断推陈出新,高
动态范围CMOS器件已经出现,这一技术消除了对快门、光圈、自动增益控制及伽玛校正
的需要,使之接近了CCD的成像质量。另外由于CMOS先天的可塑性,可以做出高像素的
大型CMOS感光器而成本却不上升多少。相对于CCD的停滞不前相比,CMOS作为新生事
物而展示出了蓬勃的活力。作为数码相机的核心部件,CMOS感光器以已经有逐渐取代CCD
感光器的趋势,并有希望在不久的将来成为主流的感光器。