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浅析CCD与CMOS技术

发布时间:2009-09-07     来源:中国视觉网       访问次数:20808


     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。