CCD和CMOS相機(jī)的差異

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1成像過程

CMOS 與CCD圖像傳感器光電轉(zhuǎn)換的原理相同，他們主要的差別在于信號(hào)的讀出過程不同；由于CCD僅有一個(gè)（或少數(shù)幾個(gè)）輸出節(jié)點(diǎn)統(tǒng)一讀出，其信號(hào)輸出的一致性非常好；而CMOS 芯片中，每個(gè)像素都有各自的信號(hào)放大器，各自進(jìn)行電荷-電壓的轉(zhuǎn)換，其信號(hào)輸出的一致性較差。但是CCD 為了讀出整幅圖像信號(hào)，要求輸出放大器的信號(hào)帶寬較寬，而在CMOS 芯片中，每個(gè)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(shù)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(duì)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(dǎo)體單晶材料商，工藝較復(fù)雜，世界上只有少數(shù)幾家廠商能夠生產(chǎn)CCD 晶元，如DALSA、SONY、松下等。CCD 僅能輸出模擬電信號(hào)，需要后續(xù)的地址譯碼器、模擬轉(zhuǎn)換器、圖像信號(hào)處理器處理，并且還需要提供三組不同電壓的電源同步時(shí)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(chǎn)數(shù)以萬計(jì)的計(jì)算機(jī)芯片和存儲(chǔ)設(shè)備等半導(dǎo)體集成電路的工藝相同，因此聲場CMOS 的成本相對(duì)CCD 低很多。同時(shí)CMOS 芯片能將圖像信號(hào)放大器、信號(hào)讀取電路、A/D 轉(zhuǎn)換電路、圖像信號(hào)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(shí)現(xiàn)相機(jī)的所有基本功能，集成度很高，芯片級(jí)相機(jī)概念就是從這產(chǎn)生的。隨著CMOS 成像技術(shù)的不斷發(fā)展，有越來越多的公司可以提供高品質(zhì)的CMOS 成像芯片，包括：Micron、 CMOSIS、Cypress等。

3速度

在速度上CCD 采用逐個(gè)光敏輸出，只能按照規(guī)定的程序輸出，速度較慢。CMOS 有多個(gè)電荷-電壓轉(zhuǎn)換器和行列開關(guān)控制，讀出速度快很多，目前大部分500fps 以上的高速相機(jī)都是CMOS 相機(jī)。此外CMOS 的地址選通開關(guān)可以隨機(jī)采樣，實(shí)現(xiàn)子窗口輸出，在僅輸出子窗口圖像時(shí)可以獲得更高的速度。

4噪聲 

由于CCD 技術(shù)發(fā)展較早，比較成熟，采用PN 結(jié)或二氧化硅（SiO2）隔離層隔離噪聲，成像質(zhì)量相對(duì)CMOS 光電傳感器有一定優(yōu)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(yán)重，噪聲對(duì)圖像質(zhì)量影響很大。近年，隨著CMOS 電路消噪技術(shù)的不斷發(fā)展，為生產(chǎn)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(bǔ)性金屬氧化物半導(dǎo)體，其在微處理器、閃存和特定用途集成電路（ASIC）的半導(dǎo)體技術(shù)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(dǎo)體。CMOS主要是利用硅和鍺這兩種元素所作成的半導(dǎo)體，通過CMOS上帶負(fù)電和帶正電的晶體管來實(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記錄和解讀成影像。

CMOS結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，與現(xiàn)有的大規(guī)模集成電路生產(chǎn)工藝相同，從而生產(chǎn)成本可以降低。從原理上講，CMOS的信號(hào)是以點(diǎn)為單位的電荷信號(hào)，而CCD是以行為單位的電流信號(hào)，前者更為敏感，速度也更快，更為省電?，F(xiàn)在好的CMOS并不比一般CCD差，但目前CMOS技術(shù)發(fā)展還不成熟，這種高質(zhì)量的CMOS還只應(yīng)用于專業(yè)級(jí)別的數(shù)碼相機(jī)上，許多低檔入門型的數(shù)碼相機(jī)使用的是廉價(jià)低檔的CMOS，其成像質(zhì)量比較差。大的缺點(diǎn)就是太容易出現(xiàn)噪點(diǎn), 這主要是因?yàn)樵缙诘脑O(shè)計(jì)使CMOS在處理快速變化的影像時(shí)，由于電流變化過于頻繁而會(huì)產(chǎn)生過熱的現(xiàn)象。所以目前如果購買消費(fèi)級(jí)數(shù)碼相機(jī)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(jī)拍攝景物時(shí)，景物反射的光線通過相機(jī)的鏡頭透射到CCD上。 

2、當(dāng)CCD曝光后，光電二極管受到光線的激發(fā)釋放出電荷，感光元件的電信號(hào)便由此產(chǎn)生。

3、CCD控制芯片利用感光元件中的控制信號(hào)線路對(duì)光電二極管產(chǎn)生的電流進(jìn)行控制，由電流傳輸電路輸出，CCD會(huì)將一次成像產(chǎn)生的電  信號(hào)收集起來，統(tǒng)一輸出到放大器。

4、經(jīng)過放大和濾波后的電信號(hào)被送到A/D，由A/D將電信號(hào)（此時(shí)為模擬信號(hào)）轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，數(shù)值的大小和電信號(hào)的強(qiáng)度即電壓的高   低成正比。這些數(shù)值其實(shí)就是圖像的數(shù)據(jù)了。

5、不過單依靠第4步所得到的圖像數(shù)據(jù)還不能直接生成圖像，還要輸出到數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）。在DSP中，這些圖像數(shù)據(jù)被進(jìn)行色    彩校正、白平衡處理（視用戶在相機(jī)中的設(shè)定而定）等后期處理，編碼為相機(jī)所支持的圖像格式、分辨率等數(shù)據(jù)格式，然后才會(huì)被存儲(chǔ)為圖像文件。 

6、圖像文件就被寫入到存儲(chǔ)器上（內(nèi)置或外置存儲(chǔ)器）。

CCD相機(jī)

目前市面上大部分相機(jī)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(dǎo)體材料。它是由大量獨(dú)立的光敏元件組成，這些光敏元件通常是按矩陣排列的，通常以百萬像素（megapixel）為單位。相機(jī)規(guī)格中的多少百萬像素，指的就是CCD的分辨率，也就是指這臺(tái)相機(jī)的CCD上有多少感光組件。光線透過鏡頭照射到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，CCD將各個(gè)元件的信息傳送到A/D上，模擬電信號(hào)經(jīng)過A/D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)碼照片就誕生了。CCD通常用在相機(jī)、DV和掃描儀上，作為感光的組件。

（CCD以及組件放大圖片） 

傳統(tǒng)CCD排列為矩陣，然而這樣的作法卻限制了在有效面積內(nèi)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(nèi)增強(qiáng)分辨率。由此產(chǎn)生了一種比較特殊的CCD，叫SUPER CCD。它是富士公司創(chuàng)造的，并沒有采用常規(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，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。

CCD的結(jié)構(gòu)

很多用戶以為CCD只是一塊芯片而已。但實(shí)際上CCD是和處理器做成一個(gè)完整的組件（見下圖）。這樣的設(shè)計(jì)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(yùn)用計(jì)算機(jī)檢測組件運(yùn)作，一旦自我檢查出特定組件問題，直接更換整個(gè)組件，而不需要再一個(gè)個(gè)去測試單體，簡單省事，這也是DC維修費(fèi)高的一個(gè)原因）

如果切開CCD，會(huì)發(fā)現(xiàn)CCD的結(jié)構(gòu)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(huì)直接做在CCD上呢？其實(shí)，這應(yīng)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(fā)展出來的技術(shù)。這是為了有效提升CCD的像素，又要確保單一像素持續(xù)縮小以維持CCD的標(biāo)準(zhǔn)體積。因此必須擴(kuò)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(zhì)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(zhì)品。為改善這個(gè)問題，SONY率先在每一個(gè)感光二極管上（單一像素）裝置了微小鏡片。這個(gè)設(shè)計(jì)就像是幫CCD掛上眼鏡一樣，感光面積不再因?yàn)閭鞲衅鞯拈_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(shí)兼顧單一像素的大小，又可在規(guī)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(gè)則是CMYG補(bǔ)色分色法，這兩種方法各有利弊。不過以產(chǎn)量來看，原色和補(bǔ)色CCD的比例大約在2：1左右。原色CCD的優(yōu)勢在于畫質(zhì)銳利，色彩真實(shí)，但缺點(diǎn)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(huì)超過400。相對(duì)的補(bǔ)色CCD多了一個(gè)Y黃色濾色器，在色彩的分辨上比較仔細(xì)，但卻犧牲了部分分辨率，而在ISO值上，補(bǔ)色CCD可以容忍較高的感度，一般都可設(shè)定在 800以上。（關(guān)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(fù)責(zé)將穿透濾色層的光源轉(zhuǎn)換成電子信號(hào)，并將信號(hào)傳送到影像處理芯片，將影像還原。 

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