+86 0755 83233703
CCD和CMOS相機的差異
?
1成像過程
CMOS 與CCD圖像傳感器光電轉換的原理相同，他們主要的差別在于信號的讀出過程不同；由于CCD僅有一個（或少數幾個）輸出節點統一讀出，其信號輸出的一致性非常好；而CMOS 芯片中，每個像素都有各自的信號放大器，各自進行電荷-電壓的轉換，其信號輸出的一致性較差。但是CCD 為了讀出整幅圖像信號，要求輸出放大器的信號帶寬較寬，而在CMOS 芯片中，每個像元中的放大器的帶寬要求較低，大大降低了芯片的功耗，這就是CMOS芯片功耗比CCD 要低的主要原因。盡管降低了功耗，但是數以百萬的放大器的不一致性卻帶來了更高的固定噪聲，這又是CMOS 相對CCD 的固有劣勢。
2集成性
從制造工藝的角度看，CCD 中電路和器件是集成在半導體單晶材料商，工藝較復雜，世界上只有少數幾家廠商能夠生產CCD 晶元，如DALSA、SONY、松下等。CCD 僅能輸出模擬電信號，需要后續的地址譯碼器、模擬轉換器、圖像信號處理器處理，并且還需要提供三組不同電壓的電源同步時鐘控制電路，集成度非常低。而CMOS是集成在被稱作金屬氧化物的版單體材料上，這種工藝與生產數以萬計的計算機芯片和存儲設備等半導體集成電路的工藝相同，因此聲場CMOS 的成本相對CCD 低很多。同時CMOS 芯片能將圖像信號放大器、信號讀取電路、A/D 轉換電路、圖像信號處理器及控制器等集成到一塊芯片上，只需一塊芯片就可以實現相機的所有基本功能，集成度很高，芯片級相機概念就是從這產生的。隨著CMOS 成像技術的不斷發展，有越來越多的公司可以提供高品質的CMOS 成像芯片，包括：Micron、 CMOSIS、Cypress等。
3速度
在速度上CCD 采用逐個光敏輸出，只能按照規定的程序輸出，速度較慢。CMOS 有多個電荷-電壓轉換器和行列開關控制，讀出速度快很多，目前大部分500fps 以上的高速相機都是CMOS 相機。此外CMOS 的地址選通開關可以隨機采樣，實現子窗口輸出，在僅輸出子窗口圖像時可以獲得更高的速度。
4噪聲
由于CCD 技術發展較早，比較成熟，采用PN 結或二氧化硅（SiO2）隔離層隔離噪聲，成像質量相對CMOS 光電傳感器有一定優勢。由于CMOS 圖像傳感器集成度高，各元件、電路之間距離很近，干擾比較嚴重，噪聲對圖像質量影響很大。近年，隨著CMOS 電路消噪技術的不斷發展，為生產高密度的CMOS 圖像傳感器提供了良好的條件。
5成像原理
首先來看一下CMOS：
CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）即互補性金屬氧化物半導體，其在微處理器、閃存和特定用途集成電路（ASIC）的半導體技術上占有重要的地位。CMOS和CCD一樣都是可用來感受光線變化的半導體。CMOS主要是利用硅和鍺這兩種元素所作成的半導體，通過CMOS上帶負電和帶正電的晶體管來實現基本的功能的。這兩個互補效應所產生的電流即可被處理芯片記錄和解讀成影像。
CMOS結構相對簡單，與現有的大規模集成電路生產工藝相同，從而生產成本可以降低。從原理上講，CMOS的信號是以點為單位的電荷信號，而CCD是以行為單位的電流信號，前者更為敏感，速度也更快，更為省電。現在好的CMOS并不比一般CCD差，但目前CMOS技術發展還不成熟，這種高質量的CMOS還只應用于專業級別的數碼相機上，許多低檔入門型的數碼相機使用的是廉價低檔的CMOS，其成像質量比較差。大的缺點就是太容易出現噪點, 這主要是因為早期的設計使CMOS在處理快速變化的影像時，由于電流變化過于頻繁而會產生過熱的現象。所以目前如果購買消費級數碼相機還是要選擇以CCD為影像傳感器的。
CCD的成像我們先來看一下下面的這張圖
從上圖可以看出成像過程如下：
1、用相機拍攝景物時，景物反射的光線通過相機的鏡頭透射到CCD上。
2、當CCD曝光后，光電二極管受到光線的激發釋放出電荷，感光元件的電信號便由此產生。
3、CCD控制芯片利用感光元件中的控制信號線路對光電二極管產生的電流進行控制，由電流傳輸電路輸出，CCD會將一次成像產生的電 信號收集起來，統一輸出到放大器。
4、經過放大和濾波后的電信號被送到A/D，由A/D將電信號（此時為模擬信號）轉換為數字信號，數值的大小和電信號的強度即電壓的高 低成正比。這些數值其實就是圖像的數據了。
5、不過單依靠第4步所得到的圖像數據還不能直接生成圖像，還要輸出到數字信號處理器（DSP）。在DSP中，這些圖像數據被進行色 彩校正、白平衡處理（視用戶在相機中的設定而定）等后期處理，編碼為相機所支持的圖像格式、分辨率等數據格式，然后才會被存儲為圖像文件。
6、圖像文件就被寫入到存儲器上（內置或外置存儲器）。
CCD相機
目前市面上大部分相機使用的影像傳感器是CCD（Chagre Couled Device），即電荷耦合器，是一種特殊的半導體材料。它是由大量獨立的光敏元件組成，這些光敏元件通常是按矩陣排列的，通常以百萬像素（megapixel）為單位。相機規格中的多少百萬像素，指的就是CCD的分辨率，也就是指這臺相機的CCD上有多少感光組件。光線透過鏡頭照射到CCD上，并被轉換成電荷，每個元件上的電荷量取決于它所受到的光照強度。當你按動快門，CCD將各個元件的信息傳送到A/D上，模擬電信號經過A/D處理后變成數字信號，數字信號以一定格式壓縮后存入緩存內，此時一張數碼照片就誕生了。CCD通常用在相機、DV和掃描儀上，作為感光的組件。
（CCD以及組件放大圖片）
傳統CCD排列為矩陣，然而這樣的作法卻限制了在有效面積內提升分辨率的能力。1/1.8CCD的理想值大約為六百萬像素，而在成本和制造良品率的考慮下降低至四百萬是合理值。因此，有些廠商很聰明的想出改變CCD的排列順序，藉此想在此范圍內增強分辨率。由此產生了一種比較特殊的CCD，叫SUPER CCD。它是富士公司創造的，并沒有采用常規正方形二極管，而是使用了一種八邊形的二極管，像素是以蜂窩狀形式排列，并且單位像素的面積要比傳統的CCD大。將像素旋轉45度排列的結果是可以縮小對圖像拍攝無用的多余空間，光線集中的效率比較高，效率增加之后使感光性、信噪比和動態范圍都有所提高。
CCD的結構
很多用戶以為CCD只是一塊芯片而已。但實際上CCD是和處理器做成一個完整的組件（見下圖）。這樣的設計可以確保DC的組件化，降低維修和檢查的成本（也就是說可以運用計算機檢測組件運作，一旦自我檢查出特定組件問題，直接更換整個組件，而不需要再一個個去測試單體，簡單省事，這也是DC維修費高的一個原因）
如果切開CCD，會發現CCD的結構就像三明治一樣，第一層是微型鏡頭，第二層是分色濾色片，以及第三層感光匯流片。為什么“鏡頭”會直接做在CCD上呢？其實，這應該是英語翻譯上的問題，具體原因我也不太清楚。ON-CHIP MICRO LENS是1980年初由SONY發展出來的技術。這是為了有效提升CCD的像素，又要確保單一像素持續縮小以維持CCD的標準體積。因此必須擴展單一像素的受光面積。但利用提高開口率來增加受光面積反而使畫質變差。所以開口率只能提升到一定的極限，否則CCD將成為劣質品。為改善這個問題，SONY率先在每一個感光二極管上（單一像素）裝置了微小鏡片。這個設計就像是幫CCD掛上眼鏡一樣，感光面積不再因為傳感器的開口面積而決定，而改由微型鏡片的表面積來決定。如此一來，可以同時兼顧單一像素的大小，又可在規格上提高了開口率，使感光度大幅提升。CCD的第二層是分色濾色片，目前有兩種分色方式，一是RGB原色分色法，另一個則是CMYG補色分色法，這兩種方法各有利弊。不過以產量來看，原色和補色CCD的比例大約在2：1左右。原色CCD的優勢在于畫質銳利，色彩真實，但缺點則是噪聲問題。因此一般采用原色CCD的DC，在ISO感光度上多半不會超過400。相對的補色CCD多了一個Y黃色濾色器，在色彩的分辨上比較仔細，但卻犧牲了部分分辨率，而在ISO值上，補色CCD可以容忍較高的感度，一般都可設定在 800以上。（關于這兩種分色方式見下圖）
CCD的第三層是感光匯流片，這層主要是負責將穿透濾色層的光源轉換成電子信號，并將信號傳送到影像處理芯片，將影像還原。
（來源：網絡，版權歸原作者）
電話： 0755-83233703
