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CMOS和CCD的比较希望是近期的资料不要从百度上复制很久以前的结论。谢谢
DATE: 2019-11-09

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  CMOS传感器与CCD传感器的比较 CCD,(Charge Coupled Device),即“电荷耦合器件”,以百万像素为单位。数码相机规格中的多少百万像素,指的就是CCD的分辨率。CCD是一种感光半导体芯片,用于捕捉图形,广泛运用于扫描仪、复印机以及无胶片相机等设备。与胶卷的原理相似,光线穿过一个镜头,将图形信息投射到CCD上。但与胶卷不同的是,CCD既没有能力记录图形数据,也没有能力永久保存下来,甚至不具备“曝光”能力。所有图形数据都会不停留地送入一个“模-数”转换器,一个信号处理器以及一个存储设备(比如内存芯片或内存卡)。CCD有各式各样的尺寸和形状,最大的有2×2平方英寸。1970美国贝尔实验室发明了CCD。二十年后,人们利用这一技术制造了数码相机,将影像处理行业推进到一个全新领域。 CMOS,(Complementary Metal Oxide Semiconductor),即“互补金属氧化物半导体”。它是计算机系统内一种重要的芯片,保存了系统引导所需的大量资料。有人发现,将CMOS加工也可以作为数码相机中的感光传感器,其便于大规模生产和成本低廉的特性是商家们梦寐以求的。

  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。

  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。

  CD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。

  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。

  目前,CCD技术主要掌握在索尼、佳能、奥林巴斯等几大厂商手中。主流的数码相机均采用CCD作为光敏传感器件,像素数一般为三百万左右。其制造工艺复杂,功耗大,成本较高。未来,采用CCD传感器的数码相机将继续朝着提高像素数,增加拍摄功能,提高照片质量的方向发展,力争在各项指标上早日达到传统相机的标准。 采用CMOS传感器的数码相机一般低于35万像素,主要面向以家庭、个人用户为主的低端市场。其时尚化、多功能、价格低的优势受到了普通消费者的欢迎。国内的数码相机厂商对CMOS数码相机倾注了极高的热情,包括海鸥、先科、喜马拉雅等先后推出了相应产品。 CMOS可塑性较高,未来除了数码相机之外,将在传真机、扫描仪、数字摄像机、安全侦测系统等方面得到广泛应用。目前市场上CMOS产品不多,但在美国,包括Intel、TI在内的多家公司都在积极研发相关产品。今年7月,欧洲的独立半导体研究机构IMEC公布了两个有关CMOS的研发项目,其中探索CMOS技术极限的“Advanced Device Implementation Program”,其目标是确立国际半导体技术规划(ITRS)的最新版本,并提出面向60nm~30nm的技术。

  数码相机的发展真可谓一日千里,近来各种新的感光技术纷纷涌现。很多数码相机生产厂商大肆宣扬自己的产品像素有多少多少高,画质怎么怎么好。顾客在选购数码相机时也比较困惑,心里没底。为了让大家对目前市场上常见的三种数码相机感光芯片--CCD、CCD、CMOS有一个大概的了解,我们对这三种感光元件做了个总结,欢迎各位读者和我们进行探讨。大部分数码相机使用的感光元件是CCD(ChagreCouledDevice),它的中文名字叫电荷耦合器,是一种特殊的半导体材料。他是由大量独立的光敏元件组成,这些光敏元件通常是按矩阵排列的。光线透过镜头照射到CCD上,并被转换成电荷,每个元件上的电荷量取决于它所受到的光照强度。当你按动快门,CCD将各个元件的信息传送到模/数转换器上,模拟电信号经过模/数转换器处理后变成数字信号,数字信号以一定格式压缩后存入缓存内,此时一张数码照片诞生了。然后图像数据根据不同的需要以数字信号和视频信号的方式输出。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。因此在很多场合不适用,不在今天我们讨论的范围里。另一种是矩阵式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。另一种处理方法是使用三棱镜,他将从镜头射入的光分成三束,每束光都由不同的内置光栅来过滤出某一种三原色,然后使用三块CCD分别感光。这些图象再合成出一个高分辨率、色彩精确的图象。如300万像素的相机就是由三块300万像素的CCD来感光。也就是可以做到同点合成,因此拍摄的照片清晰度相当高。该方法的主要困难在于其中包含的数据太多。在你照下一张照片前,必须将存储在相机的缓冲区内的数据清除并存盘。因此这类相机对其他部件的要求非常高,其价格自然也非常昂贵。CCD是由富士公司独家推出的,它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。富士公司宣称,CCD可以实现相当于ISO800的高感度,信噪比比以往增加30%左右,颜色的再现也大幅改善,电量消耗减少了许多。富士公司宣称CCD可与多40%像素的传统CCD的分辨率相媲美,SUPRECCD打破了以往CCD有效像素小于总像素的金科玉律,可以在240万像素的CCD上输出430万像素的画面来。因此,富士公司和他们的CCD一推出即在业界引起了广泛的关注。在传统CCD上为了增加分辨率,大多数数码相机生产厂商对民用级产品采取的办法是不增大CCD尺寸,降低单位像素面积,增加像素密度。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。如果不增加CCD面积而一味地提高分辨率,只会引起图象质量的恶化。但如果在增加CCD像素的同时想维持现有的图象质量,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。但目前更大尺寸CCD加工制造比较困难,成品率也比较低,因此成本也一直降不下来。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。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。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,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;CCD每3个点合成一个像素,每个点也是计算4次,因此CCD像素的利用率较传统CCD高,生成的像素就多了。?科学是要以事实来说话的,再有道理的理论没有事实基础还是一句空话。经过我们反复对富士CCD的几款民用级数码相机试拍后发现,至少对民用级的CCD来说,在其最大分辨率的图象质量并没有人们想象地那么好。除了色彩还原比较艳丽外,我们可以在蓝天和暗部细节发现有明显的噪音信号,成像清晰度一般。这就说明240万像素的民用级CCD无法达到其标称的430万输出像素。那么240万像素的CCD到底相当于多少像素的CCD呢?根据上一段的陈述,我认为CCD对像素的利用率比CCD高33%,因此其输出像素也应该比CCD高33%。富士FINEPIX4900的总像素为240万像素,根据我的估算,它的输出像素大概相当于320万(240×133%=320万)。而4900标称的输出尺寸是430万像素,那么这110万像素是怎么多出来的呢?我想可能是使用了插值技术。这就可能是为什么我们在以100%的尺寸看CCD拍摄的照片总不是很清楚的原因了。如果要客观公正地对待使用CCD的FINEPIX4900、FINEPIX4700等相机就应该将其看作一部320万像素的数码相机。?我们对CMOS的认识是从去年佳能公司发布EOSD30的准专业级数码机身开始的。当时许多业内人士都大吃一惊,对采用这种廉价的材料来做感光元件感到不可思议,认为CMOS的成像质量无法满足较高要求的专业用户的需要。那用CMOS做的感光元件在成像质量上真的一无是处吗?还是让我们先来了解一下什么是CMOS吧。CMOS即互补性金属氧化物半导体,其在微处理器、闪存和ASIC(特定用途集成电路)的半导体技术上占有绝对重要的地位。CMOS和CCD一样都可用来感受光线变化的半导体。CMOS主要是利用硅和锗这两种元素所做成的半导体,通过CMOS上带负电和带正电的晶体管来实现基本的功能的。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。?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。我们知道在佳能EOS系列AF相机上,CMOS一直在测光对焦系统中使用。佳能在这方面有雄厚的技术力量和丰富的经验。发展到今日已经比较容易地以较低的成本制造较大大尺寸的CMOS感光芯片,并且CMOS可以将影像处理电路集成在芯片上。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。D30有专门的回路控制暗电流,在长于1秒的曝光时降噪系统会自动工作,可以从很大程度上降低噪点的产生。?此外,CMOS与CCD的图像数据扫描方法有很大的差别。举个例子,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。我们通过INTERNET查看了大量由CANONEOSD30所拍摄的照片,发现CMOS的成像效果一点也不比传统CCD差。这种能耗低、制造相对容易的感光芯片如果能在影像的锐利度、动态范围等方面再做进一步的努力,相信CMOS是未来数码相机的发展方向。

  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。

  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。

  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。

  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。

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