技术文章
浅析CCD与CMOS技术
日期：2013-01-05
来源：三姆森科技
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控制工程网版权所有，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矩阵中控制工程网版权所有，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控制工程网版权所有，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。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。这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。?燙MOS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控制工程网版权所有，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。
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控制工程网版权所有，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矩阵中控制工程网版权所有，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控制工程网版权所有，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。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。这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。?燙MOS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控制工程网版权所有，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。
