数码摄像感光元件简介(CCD、CMOS)

       数码产品摄像头的性能和质量很大程度上取决于摄像传感器(感光元件)的优劣,当前被普遍采用的摄像传感器有CCD与CMOS两种。它们都是利用感光二极管(photodiode)进行光电转换,将图像转换为数字数据。他们主要区别是CCD是集成在半导体单晶材料上,而CMOS是集成在被称做金属氧化物的半导体材料上。

一、CCD(Charge Couple Device)电荷耦合器件

ccd感光元件

       CCD技术成熟,成像质量好,它是应用的最广泛的成像元件,优点在于:

 

1、CCD从一开始就是为图像而生。CCD从根本上说,就是采用为图像和电荷传输优化设计的制造技术。这种技术,保证了CCD的性能不会因为减小像素尺寸,而发生降低。这种专用技术的应用,当然也造成了CCD的一大劣势--不能集成其他图像处理功能到这块传感器上。

 

2、CCD传感器从根本上避免了由于像素窜扰产生的fixed-pattern noise (固定图样噪声,FPN),以及temporal noise(暂时噪声)。而这两种噪音在CMOS上是永远不能避免的。

 

       但CCD也有其缺点:

 

1、耗电量大。早期的数码相机有“电老虎”的“美誉”,主要原因之一便来自CCD。虽然现在采用低温多晶硅显示屏等低能耗的部件在一定程度上降低了相机的功率,但CCD依然是数码相机的耗电大户——CCD从数码相机一开机便随时保持着工作状态,更是无谓地消耗大量的电能。

 

2、工艺复杂,成本较高。CCD复杂的结构决定了它制造工艺的复杂性,因而到目前为止,CCD还只有为数不多的几家电子产业巨头能生产。

 

3、像素提升难度大。CCD前两个缺点也直接导致了这一个缺点,CCD像素提升无非是通过两个途径:第一,保持感光元件单位面积不变而增大CCD面积,在大面积CCD上集成更多的感光元件。但是这种方式会导致CCD成品率降低,制造成本更高,功耗更大,在民用领域这是不现实的;第二,缩小感光元件单位面积,在现有水平的CCD面积上集成更多感光元件。但是这种方法会减少感光元件的单位感光面积,降低CCD整体的灵敏度和动态范围,影响画质。

 

二、CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor)互补金属氧化物半导体

cmos感光元件

       CMOS在最近几年的发展速度相当不错,大有与CCD分庭抗争之势。相比CCD,CMOS有几个最突出的优点:

 

1、价格低廉,制造工艺简单。CMOS可以利用普通半导体生产线进行生产,不象CCD那样要求特殊的生产工艺,所以制造成本低得多。而且CMOS尺寸与成品率都不如CCD有很多限制。

 

2、耗电量低,虽然CMOS的滤镜布局与CCD差别不大,但在感光单元的电路结构上却有很大差别。CMOS每个感光元件都具备独立的电荷/电压转换电路,可将光电转换后的电信号独立放大输出——这比起CCD将所有的信号全部收集起来再放大输出,速度快了很多。而且CMOS的感光元件只在感光成像时才会工作,所以比CCD更省电。

 

3、便于集成,通过CMOS工艺可以方便地做出具有缓存、像素级图像处理、A/D、D/A集成的SoC方案。CCD结构和原理上不允许这么做。

 

4、CMOS图像传感器结构上便于采用高速的并行读取体系。从读取架构上看,CMOS具有决定性的优势。由于CCD原理、结构的限制,它不能采用这种并行的读取架构,只能另辟蹊径。

 

       但CMOS感光元件同样存在缺点:

 

1、如果在使用数码相机时成像动作较多,那么CMOS在频繁的启动过程中会因为多变的电流而产生热量,导致杂波并影响画质。

 

2、在相同像素下CCD的成像通透性、明锐度都很好,色彩还原、曝光可以保证基本准确。而CMOS的产品往往通透性一般,对实物的色彩还原能力偏弱,曝光也都不太好,由于自身物理特性的原因,CMOS的成像质量和CCD还是有一定距离的。

 

       CCD与CMOS孰优孰劣不能一概而论,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器件生成的图像质量相比CCD来说要差一些。因此在过去很长的一段时间里,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。

 

       但随着生产工艺的不断提高,CMOS和CCD的实际效果的差距已经减小了。而且目前生产高像素的大型CMOS感光器已经不成问题。一些专业型或准专业型数码相机已经开始使用这些高端CMOS感光器作为核心部件。相比CCD,由于它技术上的缺点导致像素提升始终停滞不前。CMOS作为新生事物而展示出了蓬勃的活力,已经有逐渐取代CCD感光器的趋势。

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Comments: 1
  • #1

    Juicers Reviews (Monday, 29 April 2013 07:04)

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