淺析CCD與CMOS技術(shù)

    數(shù)碼相機(jī)的發(fā)展真可謂一日千里，近來(lái)各種新的感光技術(shù)紛紛涌現(xiàn)。很多數(shù)碼相機(jī)生產(chǎn)廠商大肆宣揚(yáng)自己的產(chǎn)品像素有多少多少高，畫(huà)質(zhì)怎么怎么好。顧客在選購(gòu)數(shù)碼相機(jī)時(shí)也比較困惑，心里沒(méi)底。為了讓大家對(duì)目前市場(chǎng)上常見(jiàn)的三種數(shù)碼相機(jī)感光芯片--CCD、CCD、CMOS有一個(gè)大概的了解，我們對(duì)這三種感光元件做了個(gè)總結(jié)，歡迎各位讀者和我們進(jìn)行探討。

　　大部分?jǐn)?shù)碼相機(jī)使用的感光元件是CCD（ChagreCouledDevice），它的中文名字叫電荷耦合器，是一種特殊的半導(dǎo)體材料。他是由大量獨(dú)立的光敏元件組成，這些光敏元件通常是按矩陣排列的。光線透過(guò)鏡頭照射到CCD上，并被轉(zhuǎn)換成電荷，每個(gè)元件上的電荷量取決于它所受到的光照強(qiáng)度。當(dāng)你按動(dòng)快門(mén)，CCD將各個(gè)元件的信息傳送到模/數(shù)轉(zhuǎn)換器上，模擬電信號(hào)經(jīng)過(guò)模/數(shù)轉(zhuǎn)換器處理后變成數(shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)以一定格式壓縮后存入緩存內(nèi)，此時(shí)一張數(shù)碼照片誕生了。然后圖像數(shù)據(jù)根據(jù)不同的需要以數(shù)字信號(hào)和視頻信號(hào)的方式輸出。

　　目前主要有兩種類型的CCD光敏元件，分別是線性CCD和矩陣性CCD。線性CCD用于高分辨率的靜態(tài)照相機(jī)，它每次只拍攝圖象的一條線，這與平板掃描儀掃描照片的方法相同。這種CCD精度高，速度慢，無(wú)法用來(lái)拍攝移動(dòng)的物體，也無(wú)法使用閃光燈。因此在很多場(chǎng)合不適用控制工程網(wǎng)版權(quán)所有，不在今天我們討論的范圍里。另一種是矩陣式CCD，它的每一個(gè)光敏元件代表圖象中的一個(gè)像素，當(dāng)快門(mén)打開(kāi)時(shí)，整個(gè)圖象一次同時(shí)曝光。通常矩陣式CCD用來(lái)處理色彩的方法有兩種。一種是將彩色濾鏡嵌在CCD矩陣中，相近的像素使用不同顏色的濾鏡。典型的有G-R-G-B和C-Y-G-M兩種排列方式。這兩種排列方式成像的原理都是一樣的。在記錄照片的過(guò)程中，相機(jī)內(nèi)部的微處理器從每個(gè)像素獲得信號(hào)，將相鄰的四個(gè)點(diǎn)合成為一個(gè)像素點(diǎn)。該方法允許瞬間曝光，微處理器能運(yùn)算地非?？?。這就是大多數(shù)數(shù)碼相機(jī)CCD的成像原理。因?yàn)椴皇峭c(diǎn)合成，其中包含著數(shù)學(xué)計(jì)算，因此這種CCD最大的缺陷是所產(chǎn)生的圖象總是無(wú)法達(dá)到如刀刻般的銳利。另一種處理方法是使用三棱鏡，他將從鏡頭射入的光分成三束，每束光都由不同的內(nèi)置光柵來(lái)過(guò)濾出某一種三原色，然后使用三塊CCD分別感光。這些圖象再合成出一個(gè)高分辨率、色彩精確的圖象。如300萬(wàn)像素的相機(jī)就是由三塊300萬(wàn)像素的CCD來(lái)感光。也就是可以做到同點(diǎn)合成，因此拍攝的照片清晰度相當(dāng)高。該方法的主要困難在于其中包含的數(shù)據(jù)太多。在你照下一張照片前，必須將存儲(chǔ)在相機(jī)的緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)清除并存盤(pán)。因此這類相機(jī)對(duì)其他部件的要求非常高，其價(jià)格自然也非常昂貴。

　　CCD是由富士公司獨(dú)家推出的，它并沒(méi)有采用常規(guī)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控制工程網(wǎng)版權(quán)所有，并且單位像素的面積要比傳統(tǒng)的CCD大。將像素旋轉(zhuǎn)45度排列的結(jié)果是可以縮小對(duì)圖像拍攝無(wú)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(dòng)態(tài)范圍都有所提高。富士公司宣稱，CCD可以實(shí)現(xiàn)相當(dāng)于ISO800的高感度，信噪比比以往增加30％左右，顏色的再現(xiàn)也大幅改善，電量消耗減少了許多。富士公司宣稱CCD可與多40%像素的傳統(tǒng)CCD的分辨率相媲美，SUPRECCD打破了以往CCD有效像素小于總像素的金科玉律，可以在240萬(wàn)像素的CCD上輸出430萬(wàn)像素的畫(huà)面來(lái)。因此，富士公司和他們的CCD一推出即在業(yè)界引起了廣泛的關(guān)注。在傳統(tǒng)CCD上為了增加分辨率，大多數(shù)數(shù)碼相機(jī)生產(chǎn)廠商對(duì)民用級(jí)產(chǎn)品采取的辦法是不增大CCD尺寸，降低單位像素面積，增加像素密度。我們知道單位像素的面積越小，其感光性能越低，信噪比越低，動(dòng)態(tài)范圍越窄。因此這種方法不能無(wú)限制地增大分辨率。如果不增加CCD面積而一味地提高分辨率，只會(huì)引起圖象質(zhì)量的惡化。但如果在增加CCD像素的同時(shí)想維持現(xiàn)有的圖象質(zhì)量，就必須在至少維持單位像素面積不減小的基礎(chǔ)上增大CCD的總面積。但目前更大尺寸CCD加工制造比較困難，成品率也比較低，因此成本也一直降不下來(lái)。

　　傳統(tǒng)CCD中的每個(gè)像素由一個(gè)二極管、控制信號(hào)路徑和電量傳輸路徑組成。CCD采用蜂窩狀的八邊二極管，原有的控制信號(hào)路徑被取消了，只需要一個(gè)方向的電量傳輸路徑即可，感光二極管就有更多的空間。CCD在排列結(jié)構(gòu)上比普通CCD要緊密，此外像素的利用率較高，也就是說(shuō)在同一尺寸下，CCD的感光二極管對(duì)光線的吸收程度也比較高，使感光度、信噪比和動(dòng)態(tài)范圍都有所提高。為什么CCD的輸出像素會(huì)比有效像素高呢？我們知道CCD對(duì)綠色不很敏感，因此是以G－B－R－G來(lái)合成。各個(gè)合成的像素點(diǎn)實(shí)際上有一部分真實(shí)像素點(diǎn)是共用，因此圖象質(zhì)量與理想狀態(tài)有一定差距，這就是為什么一些高端專業(yè)級(jí)數(shù)碼相機(jī)使用3CCD分別感受RGB三色光的原因。而CCD通過(guò)改變像素之間的排列關(guān)系，做到了R、G、B像素相當(dāng)，在合成像素時(shí)也是以三個(gè)為一組。因此傳統(tǒng)CCD是四個(gè)合成一個(gè)像素點(diǎn)，其實(shí)只要三個(gè)就行了，浪費(fèi)了一個(gè)，而CCD就發(fā)現(xiàn)了這一點(diǎn)，只用三個(gè)就能合成一個(gè)像素點(diǎn)。也就是說(shuō)，CCD每4個(gè)點(diǎn)合成一個(gè)像素，每個(gè)點(diǎn)計(jì)算4次；CCD每3個(gè)點(diǎn)合成一個(gè)像素，每個(gè)點(diǎn)也是計(jì)算4次，因此CCD像素的利用率較傳統(tǒng)CCD高，生成的像素就多了。這是要以事實(shí)來(lái)說(shuō)話的，再有道理的理論沒(méi)有事實(shí)基礎(chǔ)還是一句空話。經(jīng)過(guò)我們反復(fù)對(duì)富士CCD的幾款民用級(jí)數(shù)碼相機(jī)試拍后發(fā)現(xiàn)，至少對(duì)民用級(jí)的CCD來(lái)說(shuō)，在其最大分辨率的圖象質(zhì)量并沒(méi)有人們想象地那么好。除了色彩還原比較艷麗外，我們可以在藍(lán)天和暗部細(xì)節(jié)發(fā)現(xiàn)有明顯的噪音信號(hào)，成像清晰度一般。這就說(shuō)明240萬(wàn)像素的民用級(jí)CCD無(wú)法達(dá)到其標(biāo)稱的430萬(wàn)輸出像素。那么240萬(wàn)像素的CCD到底相當(dāng)于多少像素的CCD呢？根據(jù)上一段的陳述，我認(rèn)為CCD對(duì)像素的利用率比CCD高33％，因此其輸出像素也應(yīng)該比CCD高33％。富士FINEPIX4900的總像素為240萬(wàn)像素，根據(jù)我的估算，它的輸出像素大概相當(dāng)于320萬(wàn)（240×133％＝320萬(wàn)）。而4900標(biāo)稱的輸出尺寸是430萬(wàn)像素，那么這110萬(wàn)像素是怎么多出來(lái)的呢？我想可能是使用了插值技術(shù)。這就可能是為什么我們?cè)谝?00％的尺寸看CCD拍攝的照片總不是很清楚的原因了。如果要客觀公正地對(duì)待使用CCD的FINEPIX4900、FINEPIX4700等相機(jī)就應(yīng)該將其看作一部320萬(wàn)像素的數(shù)碼相機(jī)。

　　我們對(duì)CMOS的認(rèn)識(shí)是從去年佳能公司發(fā)布EOSD30的準(zhǔn)專業(yè)級(jí)數(shù)碼機(jī)身開(kāi)始的。當(dāng)時(shí)許多業(yè)內(nèi)人士都大吃一驚，對(duì)采用這種廉價(jià)的材料來(lái)做感光元件感到不可思議，認(rèn)為CMOS的成像質(zhì)量無(wú)法滿足較高要求的專業(yè)用戶的需要。那用CMOS做的感光元件在成像質(zhì)量上真的一無(wú)是處嗎？還是讓我們先來(lái)了解一下什么是CMOS吧。CMOS即互補(bǔ)性金屬氧化物半導(dǎo)體，其在微處理器、閃存和ASIC（特定用途集成電路）的半導(dǎo)體技術(shù)上占有絕對(duì)重要的地位。CMOS和CCD一樣都可用來(lái)感受光線變化的半導(dǎo)體。CMOS主要是利用硅和鍺這兩種元素所做成的半導(dǎo)體，通過(guò)CMOS上帶負(fù)電和帶正電的晶體管來(lái)實(shí)現(xiàn)基本的功能的。這兩個(gè)互補(bǔ)效應(yīng)所產(chǎn)生的電流即可被處理芯片紀(jì)錄和解讀成影像。?燙MOS針對(duì)CCD最主要的優(yōu)勢(shì)就是非常省電。不像由二極管組成的CCD，CMOS電路幾乎沒(méi)有靜態(tài)電量消耗，只有在電路接通時(shí)才有電量的消耗。這就使得CMOS的耗電量只有普通CCD的1/3左右，這有助于改善人們心目中數(shù)碼相機(jī)是"電老虎"的不良印象。我們知道在佳能EOS系列AF相機(jī)上，CMOS一直在測(cè)光對(duì)焦系統(tǒng)中使用。佳能在這方面有雄厚的技術(shù)力量和豐富的經(jīng)驗(yàn)。發(fā)展到今日已經(jīng)比較容易地以較低的成本制造較大大尺寸的CMOS感光芯片，并且CMOS可以將影像處理電路集成在芯片上。CMOS主要問(wèn)題是在處理快速變化的影像時(shí)，由于電流變化過(guò)于頻繁而過(guò)熱。暗電流抑制得好就問(wèn)題不大控制工程網(wǎng)版權(quán)所有，如果抑制得不好就十分容易出現(xiàn)雜點(diǎn)。D30有專門(mén)的回路控制暗電流，在長(zhǎng)于1秒的曝光時(shí)降噪系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)工作，可以從很大程度上降低噪點(diǎn)的產(chǎn)生。

　　此外，CMOS與CCD的圖像數(shù)據(jù)掃描方法有很大的差別。舉個(gè)例子，如果分辨率為300萬(wàn)像素，那么CCD傳感器可連續(xù)掃描300萬(wàn)個(gè)電荷，掃描的方法非常簡(jiǎn)單，就好像把水桶從一個(gè)人傳給另一個(gè)人，并且只有在最后一個(gè)數(shù)據(jù)掃描完成之后才能將信號(hào)放大。CMOS傳感器的每個(gè)像素都有一個(gè)將電荷轉(zhuǎn)化為電子信號(hào)的放大器。因此，CMOS傳感器可以在每個(gè)像素基礎(chǔ)上進(jìn)行信號(hào)放大，采用這種方法可節(jié)省任何無(wú)效的傳輸操作，所以只需少量能量消耗就可以進(jìn)行快速數(shù)據(jù)掃描，同時(shí)噪音也有所降低。這就是佳能的像素內(nèi)電荷完全轉(zhuǎn)送技術(shù)。我們通過(guò)INTERNET查看了大量由CANONEOSD30所拍攝的照片，發(fā)現(xiàn)CMOS的成像效果一點(diǎn)也不比傳統(tǒng)CCD差。這種能耗低、制造相對(duì)容易的感光芯片如果能在影像的銳利度、動(dòng)態(tài)范圍等方面再做進(jìn)一步的努力，相信CMOS是未來(lái)數(shù)碼相機(jī)的發(fā)展方向。

                                                            --摘自中國(guó)視覺(jué)網(wǎng)