CMOS-CCD圖像傳感器的區(qū)別

CMOS/CCD象傳感器的工作原理雖是老聲常談，不過對(duì)于我這樣的非專業(yè)人士來講，還是要時(shí)常溫習(xí) 下一些基本概念的，雖然早先系統(tǒng)比較過 coms和ccd，但時(shí)間久了某 些細(xì)節(jié)問題還是不能及時(shí)脫口而出。特 zz篇，寫的不錯(cuò)。具體構(gòu)造方 面的細(xì)節(jié)比較，還得自己查書了。因最近正在用 sony的HDV-Hc1用的 是cmoS感光元件，現(xiàn)在的emos產(chǎn)品越來越多了，前景大好。 無論是CC還是CMOS它們都采用感光元件作為影像捕獲的基本手段，CCD/CM光元件的核心都是一個(gè)感光二極管photodiode ），該二極管在接受光線照射之后能夠產(chǎn)生輸出電流，而電流的強(qiáng)度則與光照的強(qiáng)度對(duì)應(yīng)。但在周邊組成上，CC的感光元件與CMO的感光元件并不相同，前者的感光元件除了感光二極管之外，包括一個(gè)用于控制相鄰電荷 的存儲(chǔ)單元，感光二極管占據(jù)了絕大多數(shù)面積換一種說法就是， CCD感光元件中的有效感光面積較大，在同等條件下可接收到較強(qiáng)的光信 號(hào)，對(duì)應(yīng)的輸出電信號(hào)也更明晰。而 CMC感光元件的構(gòu)成就比較復(fù)雜，除處于核心地位的感光二極管之外，它還包括放大器與模數(shù)轉(zhuǎn)換電路， 每個(gè)像點(diǎn)的構(gòu)成為一個(gè)感光二極管和三顆晶體管，而感光二極管占據(jù)的 面積只是整個(gè)元件的一小部分，造成 CMC傳感器的開口率遠(yuǎn)低于CCD （開口率：有效感光區(qū)域與整個(gè)感光元件的面積比值）；這樣在接受同 等光照及元件大小相同的情況下，CMC感光元件所能捕捉到的光信號(hào)就 明顯小于CC元件，靈敏度較低；體現(xiàn)在輸出結(jié)果上，就是 CMC傳感器 捕捉到的圖像內(nèi)容不如CC傳感器來得豐富，圖像細(xì)節(jié)丟失情況嚴(yán)重且 噪聲明顯，這也是早期CMOS專感器只能用于低端場(chǎng)合的一大原因。 CMC開口率低造成的另一個(gè)麻煩在于，它的像素點(diǎn)密度無法做到媲美CC的地步，因?yàn)殡S著密度的提高，感光元件的比重面積將因此縮小， 而CMC開口率太低，有效感光區(qū)域小得可憐，圖像細(xì)節(jié)丟失情況會(huì)愈為 嚴(yán)重。因此在傳感器尺寸相同的前提下， CC的像素規(guī)模總是高于同時(shí) 期的CMC傳感器，這也是CMO長(zhǎng)期以來都未能進(jìn)入主流數(shù)碼相機(jī)市場(chǎng)的 重要原因之一。每個(gè)感光元件對(duì)應(yīng)圖像傳感器中的一個(gè)像點(diǎn)，由于感光 元件只能感應(yīng)光的強(qiáng)度，無法捕獲色彩信息，因此必須在感光元件上方 覆蓋彩色濾光片。在這方面，不同的傳感器廠商有不同的解決方案，最 常用的做法是覆蓋RG紅綠藍(lán)三色濾光片，以1: 2: 1的構(gòu)成由四個(gè)像點(diǎn) 構(gòu)成一個(gè)彩色像素（即紅藍(lán)濾光片分別覆蓋一個(gè)像點(diǎn)，剩下的兩個(gè)像點(diǎn) 都覆蓋綠色濾光片），采取這種比例的原因是人眼對(duì)綠色較為敏感。而索尼的四色CC技術(shù)則將其中的一個(gè)綠色濾光片換為翡翠綠色(英文 Emerald，有些媒體稱為E通道)，由此組成新的RGB E四色方案。 不管是哪一種技術(shù)方案，都要四個(gè)像點(diǎn)才能夠構(gòu)成一個(gè)彩色像素，這一 點(diǎn)大家務(wù)必要預(yù)先明確。 在接受光照之后，感光元件產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的電流，電流大小與光強(qiáng)對(duì)應(yīng)，因 此感光元件直接輸出的電信號(hào)是模擬的。在 CC傳感器中，每一個(gè)感光 元件都不對(duì)此作進(jìn)一步的處理，而是將它直接輸出到下一個(gè)感光元件的 存儲(chǔ)單元，結(jié)合該元件生成的模擬信號(hào)后再輸出給第三個(gè)感光元件，依 次類推，直到結(jié)合最后一個(gè)感光元件的信號(hào)才能形成統(tǒng)一的輸出。由于 感光元件生成的電信號(hào)實(shí)在太微弱了，無法直接進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換工作，因 此這些輸出數(shù)據(jù)必須做統(tǒng)一的放大處理一這項(xiàng)任務(wù)是由 CC傳感器中的 放大器專門負(fù)責(zé)，經(jīng)放大器處理之后，每個(gè)像點(diǎn)的電信號(hào)強(qiáng)度都獲得同 樣幅度的增大；但由于CCI本身無法將模擬信號(hào)直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)， 因此還需要一個(gè)專門的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行處理，最終以二進(jìn)制數(shù)字圖像 矩陣的形式輸出給專門的DS處理芯片。而對(duì)于CM*感器，上述工作 流程就完全不適用了。 CMO傳感器中每一個(gè)感光元件都直接整合了放 大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換邏輯，當(dāng)感光二極管接受光照 產(chǎn)生模擬的電信號(hào)之 后，電信號(hào)首先被該感光元件中的放大器放大，然后直接轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的 數(shù)字信號(hào)。換句話說，在CMC傳感器中，每一個(gè)感光元件都可產(chǎn)生最終 的數(shù)字輸出，所得數(shù)字信號(hào)合并之后被直接送交 DS芯片處理一問題恰 恰是發(fā)生在這里，CMC感光元件中的放大器屬于模擬器件，無法保證每 個(gè)像點(diǎn)的放大率都保持嚴(yán)格一致，致使放大后的圖像數(shù)據(jù)無法代表拍攝 物體的原貌體現(xiàn)在最終的輸出結(jié)果上，就是圖像中出現(xiàn)大量的噪聲， 品質(zhì)明顯低于CC傳感器。CC：電荷藕合器件(Charge Coupled Device )，它使用一種高感光度 的半導(dǎo)體材料制成，能把光線轉(zhuǎn)變成電荷，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片轉(zhuǎn)換成 數(shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)經(jīng)過壓縮以后由相機(jī)內(nèi)部的閃速存儲(chǔ)器或內(nèi)置硬盤 卡保存，因而可以輕而易舉地把數(shù)據(jù)傳輸給計(jì)算機(jī)，并借助于計(jì)算機(jī)的 處理手段，根據(jù)需要和想像來修改圖像。 CC由許多感光單位組成，通 常以百萬像素為單位。當(dāng)CCI表面受到光線照射時(shí)，每個(gè)感光單位會(huì)將 電荷反映在組件上，所有的感光單位所產(chǎn)生的信號(hào)加在一起，就構(gòu)成了 一幅完整的畫面。CMOS互補(bǔ)型金屬氧化物半導(dǎo)體(Compleme ntary Metal-OxideSemiconductor )和CCI一樣同為在數(shù)碼相機(jī)中可記錄光線變化的半導(dǎo)體。CMO的制造技術(shù)和般計(jì)算機(jī)芯片沒什么差別，主要是利用硅和鍺這兩種元素所做成的半導(dǎo)體，使其在 CMO上共存著帶N (帶-電) 和P （帶+電）級(jí)的半導(dǎo)體，這兩個(gè)互補(bǔ)效應(yīng)所產(chǎn)生的電流即可被處理芯片紀(jì)錄和解讀成影像。然而，CMO的缺點(diǎn)就是太容易出現(xiàn)雜點(diǎn),這主要是因?yàn)樵缙诘脑O(shè)計(jì)使CMC在處理快速變化的影像時(shí)，由于電流變化過于頻 繁而會(huì)產(chǎn)生過熱的現(xiàn)象CC的優(yōu)勢(shì)在于成像質(zhì)量好，但是由于制造工藝復(fù)雜，只有少數(shù)的廠商 能夠掌握，所以導(dǎo)致制造成本居咼不下，特別是大型 CCD價(jià)格非常咼 昂。在相同分辨率下，CMC價(jià)格比CC便宜，但是CMC器件產(chǎn)生的圖像 質(zhì)量相比CC來說要低一些。到目前為止，市面上絕大多數(shù)的消費(fèi)級(jí)別 以及高端數(shù)碼相機(jī)都使用 CCD乍為感應(yīng)器；CMC感應(yīng)器則作為低端產(chǎn)品 應(yīng)用于一些攝像頭上，若有哪家攝像頭廠商生產(chǎn)的攝想頭使用 CC感應(yīng) 器，廠商一定會(huì)不遺余力地以其作為賣點(diǎn)大肆宣傳，甚至冠以“數(shù)碼相 機(jī)”之名。一時(shí)間，是否具有CC感應(yīng)器變成了人們判斷數(shù)碼相機(jī)檔次 的標(biāo)準(zhǔn)之一。CMC影像傳感器的優(yōu)點(diǎn)之一是電源消耗量比 CC低, CC為提供優(yōu)異的影 像品質(zhì)，付出代價(jià)即是較咼的電源消耗量，為使電荷傳輸順暢，噪聲降 低，需由高壓差改善傳輸效果。但 CMC影像傳感器將每一畫素的電荷轉(zhuǎn) 換成電壓，讀取前便將其放大，利用3.3V的電源即可驅(qū)動(dòng)，電源消耗量 比CC低。CMC影像傳感器的另一優(yōu)點(diǎn)，是與周邊電路的整合性高，可 將AD與訊號(hào)處理器整合在一起，使體積大幅縮小。噪點(diǎn)：由于CMC每個(gè)感光二極管都需搭配一個(gè)放大器，如果以百萬像素 計(jì)，那么就需要百萬個(gè)以上的放大器，而放大器屬于模擬電路，很難讓 每個(gè)放大器所得到的結(jié)果保持一致，因此與只有一個(gè)放大器放在芯片邊 緣的CC傳感器相比，CMC傳感器的噪點(diǎn)就會(huì)增加很多，影響圖像品 質(zhì)。耗電量：CMC傳感器的圖像采集方式為主動(dòng)式，感光二極管所產(chǎn)生的電 荷會(huì)直接由旁邊的電晶體做放大輸出；而 CC傳感器為被動(dòng)式采集，必 須外加電壓讓每個(gè)像素中的電荷移動(dòng)至傳輸通道。而這外加電壓通常需 要1218V因此CC還必須有更精密的電源線路設(shè)計(jì)和耐壓強(qiáng)度，高驅(qū) 動(dòng)電壓使CC的耗電量遠(yuǎn)高于CMCSCMC的耗電量?jī)H為CC的 1/8到 1/10 。成本：由于CMC傳感器采用一般半導(dǎo)體電路最常用的 CMC工藝，可以輕 易地將周邊電路（如AGC CDS Timing generator或DS等）集成到傳感 器芯片中，因此可以節(jié)省外圍芯片的成本；而 CC采用電荷傳遞的方式 傳送數(shù)據(jù)，只要其中有一個(gè)像素不能運(yùn)行，就會(huì)導(dǎo)致一整排的數(shù)據(jù)不能 傳送，因此控制CC傳感器的成品率比CMC傳感器困難許多，即使有經(jīng) 驗(yàn)的廠商也很難在產(chǎn)品問世的半年內(nèi)突破 50%勺水平，因此，CC傳感器 的制造成本會(huì)高于CM*感器。CC與CM*感器的前景CC在影像品質(zhì)等方面均優(yōu)于CMO,而CMO則具有低成本、低功耗、以 及高整合度的特點(diǎn)。不過，隨著CC與 CMO傳感器技術(shù)的進(jìn)步，兩者的 差異將逐漸減小，新一代的CC傳感器一直在功耗上作改進(jìn)，而CM* 感器則在改善分辨率與靈敏度方面的不足。相信不斷改進(jìn)的 CC與 CMOS 傳感器將為我們帶來更加美好的數(shù)碼影像世界。暗電流：暗電流是在沒有入射光時(shí)光電二極管所釋放的電流量，理想的 影像感應(yīng)器的暗電流應(yīng)該是零，但是，實(shí)際狀況是每個(gè)像素中的光電二 極管同時(shí)又充當(dāng)了電容，當(dāng)電容慢慢地釋放電荷時(shí)，就算沒有入射光， 暗電流的電壓也會(huì)與低亮度入射光的輸出電壓相當(dāng)。暗電流是影響畫質(zhì) 的因素之一。數(shù)碼相機(jī)成像原理 光線通過與膠片相機(jī)相同的鏡頭照到數(shù)碼相機(jī)的 “膠卷 ”上，數(shù)碼 相機(jī)的 “膠卷 ”就是能使其成像的元器件，這些元器件與數(shù)碼相機(jī)結(jié)為一 體的。目前市場(chǎng)上常見數(shù)碼相機(jī)的成像器件有 CC D （電荷偶全器件）和 CMOS （互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）兩種，但使用 CMOS的數(shù)碼相機(jī)相對(duì) 數(shù)量較少。CCD負(fù)責(zé)把光線轉(zhuǎn)換為電荷，再通過模 /數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC） 芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，然后將信號(hào)送到處理器（ DSP）處理，最后存儲(chǔ) 到存儲(chǔ)卡上 .數(shù)碼相機(jī)與傳統(tǒng)相機(jī)的成像原理一樣 ,都是物體反射的光線通過鏡 頭折射 ,在快門后面形成影象 ,可以通過調(diào)節(jié)通過鏡頭光線的數(shù)量和時(shí)間 調(diào)整影象 .數(shù)碼相機(jī)與傳統(tǒng)相機(jī)不同的是用 CCD （電荷耦合器件 ） &COMS （互補(bǔ) 金屬氧化物半導(dǎo)體）取代了膠卷來收集影象，并用一個(gè)LCD顯示屏將收集 到影象立刻展示給你 ,而傳統(tǒng)相機(jī)要等沖印出來才能看到 ,但是其成像原 理都是一樣 .