數(shù)碼相機CCD傳感器和CMOS傳感器的區(qū)別.doc

數(shù)碼相機CCD傳感器和CMOS傳感器的區(qū)別數(shù)碼相機的成像器件主要分為兩類： CCD英文Charge Couple Device的縮寫，中文名稱“電荷耦合器件”。 CMOS英文Complementary Metal-Oxide Semiconductor的縮寫，中文名稱為“互補金屬氧化物半導體”。 CCD是目前主流的成像器件，主要分為： （1）R-G-B原色CCD：這是數(shù)碼相機上應用的最多的CCD。 （2）C-Y-G-M補色CCD：早些時候尼康部分數(shù)碼相機使用過這種補色CCD。 （3）R-G-B-E四色CCD：這是索尼最新發(fā)布的CCD，它比RGB原色CCD多出一個E（Emerale,翠綠）的顏色。 （4）Super CCD：是曰本富士公司的專利技術，中文名稱為超級CCD，由CCD演變而成，目前已經(jīng)發(fā)展到第4代。 3）CMOS：作為數(shù)碼相機成像器件出現(xiàn)的時間并不長，但發(fā)展卻非常迅速，大有與CCD分庭抗爭之勢，其基本結構中的像素排列方式與R-G-B原色CCD并沒有本質(zhì)差別。佳能是CMOS陣營的主要支持者。 CCD技術成熟，成像質(zhì)量好，畢竟它是現(xiàn)在應用的最廣泛的成像元件，但它也有其缺點： 1） 耗電量大。早期的數(shù)碼相機有“電老虎”的“美譽”，主要原因之一便來自CCD。雖然現(xiàn)在采用低溫多晶硅顯示屏等低能耗的部件在一定程度上降低了相機的功率，但CCD依然是數(shù)碼相機的耗電大戶CCD從數(shù)碼相機一開機便隨時保持著工作狀態(tài)，更是無謂地消耗大量的電能。 2） 工藝復雜，成本較高。CCD復雜的結構決定了它制造工藝的復雜性，因而到目前為止，CCD還只有為數(shù)不多的幾家電子產(chǎn)業(yè)巨頭能生產(chǎn)。 3） 像素提升難度大。CCD前兩個缺點也直接導致了這一個缺點，CCD像素提升無非是通過兩個途徑：第一，保持感光元件單位面積不變而增大CCD面積，在大面積CCD上集成更多的感光元件。但是這種方式會導致CCD成品率降低，制造成本更高，功耗更大，在民用領域這是不現(xiàn)實的；第二，縮小感光元件單位面積，在現(xiàn)有水平的CCD面積上集成更多感光元件。但是這種方法會減少感光元件的單位感光面積，降低CCD整體的靈敏度和動態(tài)范圍，影響畫質(zhì)。 CMOS在最近幾年的發(fā)展速度相當不錯，大有與CCD分庭抗爭之勢就連目前最頂級的DSLR（單鏡頭反光數(shù)碼相機）柯達（Kodak）DCS 14n與佳能(Canon) EOS 1Ds均是采用CMOS成像。 相比CCD，CMOS有兩個最突出的優(yōu)點： 1） 價格低廉，制造工藝簡單。CMOS可以利用普通半導體生產(chǎn)線進行生產(chǎn)，不象CCD那樣要求特殊的生產(chǎn)工藝，所以制造成本低得多。而且CMOS尺寸與成品率都不如CCD有很多限制。 2） 耗電量低。雖然CMOS的濾鏡布局與CCD差別不大，但在感光單元的電路結構上卻有很大差別。CMOS每個感光元件都具備獨立的電荷/電壓轉(zhuǎn)換電路，可將光電轉(zhuǎn)換后的電信號獨立放大輸出這比起CCD將所有的信號全部收集起來再放大輸出，速度快了很多。而且CMOS的感光元件只在感光成像時才會工作，所以比CCD更省電。但CMOS同樣存在缺點，如果在使用數(shù)碼相機時成像動作較多，那么CMOS在頻繁的啟動過程中會因為多變的電流而產(chǎn)生熱量，導致雜波并影響畫質(zhì)。 傳感器尺寸是指感光元件對角線的長度，常用單位為英寸。常見的有1/1.6英寸、1/1.7英寸、1/1.8英寸、1/2.3英寸、1/2.33英寸、1/2.5英寸、1/2.7英寸、2/3英寸等。一般來說，感光元件尺寸越大，元件的性能與成像效果就越好。另外，數(shù)碼相機的感光元件一般采用4：3的長寬比，比較特殊的則有3：2。噪點：由于CMOS每個感光二極管都需搭配一個放大器，如果以百萬像素計，那么就需要百萬個以上的放大器，而放大器屬于模擬電路，很難讓每個放大器所得到的結果保持一致，因此與只有一個放大器放在芯片邊緣的CCD傳感器相比，CMOS傳感器的噪點就會增加很多，影響圖像品質(zhì)。耗電量：CMOS傳感器的圖像采集方式為主動式，感光二極管所產(chǎn)生的電荷會直接由旁邊的電晶體做放大輸出；而CCD傳感器為被動式采集，必須外加電壓讓每個像素中的電荷移動至傳輸通道。而這外加電壓通常需要1218V，因此CCD還必須有更精密的電源線路設計和耐壓強度，高驅(qū)動電壓使CCD的耗電量遠高于CMOS。CMOS的耗電量僅為CCD的1/8到1/10。 成本：由于CMOS傳感器采用一般半導體電路最常用的CMOS工藝，可以輕易地將周邊電路(如AGC、CDS、Timinggenerator或DSP等)集成到傳感器芯片中，因此可以節(jié)省外圍芯片的成本；而CCD采用電荷傳遞的方式傳送數(shù)據(jù)，只要其中有一個像素不能運行，就會導致一整排的數(shù)據(jù)不能傳送，因此控制CCD傳感器的成品率比CMOS傳感器困難許多，即使有經(jīng)驗的廠商也很難在產(chǎn)品問世的半年內(nèi)突破50%的水平，因此，CCD傳感器的制造成本會高于CMOS傳感器。CCD與CMOS傳感器的前景CCD在影像品質(zhì)等方面均優(yōu)于CMOS，而CMOS則具有低成本、低功耗、以及高整合度的特點。不過，隨著CCD與CMOS傳感器技術的進步，兩者的差異將逐漸減小，新一代的CCD傳感器一直在功耗上作改進，而CMOS傳感器則在改善分辨率與靈敏度方面的不足。相信不斷改進的CCD與CMOS傳感器將為我們帶來更加美好的數(shù)碼影像世界。CMOS一定比CCD差嗎？答案是否定的，佳能頂級的專業(yè)單反數(shù)碼相機也是采用CMOS的影像傳感器，影響畫質(zhì)取決于鏡頭，取決于感光片的面積大小，影像算法等等CMOS傳感器與CCD傳感器的比較 CMOS傳感器與CCD傳感器的比較 CCD，(Charge Coupled Device)，即“電荷耦合器件”，以百萬像素為單位。數(shù)碼相機規(guī)格中的多少百萬像素，指的就是CCD的分辨率。CCD是一種感光半導體芯片，用于捕捉圖形，廣泛運用于掃描儀、復印機以及無膠片相機等設備。與膠卷的原理相似，光線穿過一個鏡頭，將圖形信息投射到CCD上。但與膠卷不同的是，CCD既沒有能力記錄圖形數(shù)據(jù)，也沒有能力永久保存下來，甚至不具備“曝光”能力。所有圖形數(shù)據(jù)都會不停留地送入一個“模-數(shù)”轉(zhuǎn)換器，一個信號處理器以及一個存儲設備(比如內(nèi)存芯片或內(nèi)存卡)。CCD有各式各樣的尺寸和形狀，最大的有22平方英寸。1970美國貝爾實驗室發(fā)明了CCD。二十年后，人們利用這一技術制造了數(shù)碼相機，將影像處理行業(yè)推進到一個全新領域。 CMOS,(Complementary Metal Oxide Semiconductor)，即“互補金屬氧化物半導體”。它是計算機系統(tǒng)內(nèi)一種重要的芯片，保存了系統(tǒng)引導所需的大量資料。有人發(fā)現(xiàn)，將CMOS加工也可以作為數(shù)碼相機中的感光傳感器，其便于大規(guī)模生產(chǎn)和成本低廉的特性是商家們夢寐以求的。 CCD和CMOS的技術對比 從技術的角度比較，CCD與CMOS有如下四個方面的不同：信息讀取方式：CCD電荷耦合器存儲的電荷信息，需在同步信號控制下一位一位地實施轉(zhuǎn)移后讀取，電荷信息轉(zhuǎn)移和讀取輸出需要有時鐘控制電路和三組不同的電源相配合，整個電路較為復雜。CMOS光電傳感器經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后直接產(chǎn)生電流（或電壓）信號，信號讀取十分簡單。速度CCD電荷耦合器需在同步時鐘的控制下，以行為單位一位一位地輸出信息，速度較慢；而CMOS光電傳感器采集光信號的同時就可以取出電信號，還能同時處理各單元的圖像信息，速度比CCD電荷耦合器快很多。電源及耗電量CD電荷耦合器大多需要三組電源供電，耗電量較大；CMOS光電傳感器只需使用一個電源，耗電量非常小，僅為CCD電荷耦合器的1/8到1/10，CMOS光電傳感器在節(jié)能方面具有很大優(yōu)勢。成像質(zhì)量CCD電荷耦合器制作技術起步早，技術成熟，采用PN結或二氧化硅（SiO2）隔離層隔離噪聲，成像質(zhì)量相對CMOS光電傳感器有一定優(yōu)勢。由于CMOS光電傳感器集成度高，各光電傳感元件、電路之間距離很近，相互之間的光、電、磁干擾較嚴重，噪聲對圖像質(zhì)量影響很大，使CMOS光電傳感器很長一段時間無法進入實用。近年，隨著CMOS電路消噪技術的不斷發(fā)展，為生產(chǎn)高密度優(yōu)質(zhì)的CMOS圖像傳感器提供了良好的條件。 目前，CCD技術主要掌握在索尼、佳能、奧林巴斯等幾大廠商手中。主流的數(shù)碼相機均采用CCD作為光敏傳感器件，像素數(shù)一般為三百萬左右。其制造工藝復雜，功耗大，成本較高。未來，采用CCD傳感器的數(shù)碼相機將繼續(xù)朝著提高像素數(shù)，增加拍攝功能，提高照片質(zhì)量的方向發(fā)展，力爭在各項指標上早日達到傳統(tǒng)相機的標準。 采用CMOS傳感器的數(shù)碼相機一般低于35萬像素，主要面向以家庭、個人用戶為主的低端市場。其時尚化、多功能、價格低的優(yōu)勢受到了普通消費者的歡迎。國內(nèi)的數(shù)碼相機廠商對CMOS數(shù)碼相機傾注了極高的熱情，包括海鷗、先科、喜馬拉雅等先后推出了相應產(chǎn)品。 CMOS可塑性較高，未來除了數(shù)碼相機之外，將在傳真機、掃描儀、數(shù)字攝像機、安全偵測系統(tǒng)等方面得到廣泛應用。目前市場上CMOS產(chǎn)品不多，但在美國，包括Intel、TI在內(nèi)的多家公司都在積極研發(fā)相關產(chǎn)品。今年7月，歐洲的獨立半導體研究機構IMEC公布了兩個有關CMOS的研發(fā)項目，其中探索CMOS技術極限的“Advanced Device Implementation Program”，其目標是確立國際半導體技術規(guī)劃（ITRS）的最新版本，并提出面向60nm30nm的技術。淺析CCD、CCD與CMOS技術數(shù)碼相機的發(fā)展真可謂一日千里，近來各種新的感光技術紛紛涌現(xiàn)。很多數(shù)碼相機生產(chǎn)廠商大肆宣揚自己的產(chǎn)品像素有多高，畫質(zhì)多好。顧客在選購數(shù)碼相機時也比較困惑，心里沒底。矩陣式CCD，它的每一個光敏元件代表圖象中的一個像素，當快門打開時，整個圖象一次同時曝光。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，動態(tài)范圍越窄。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。這就是為什么一些高端專業(yè)級數(shù)碼相機使用3CCD分別感受RGB三色光的原因。CMOS針對CCD最主要的優(yōu)勢就是非常省電。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主要問題是在處理快速變化的影像時，由于電流變化過于頻繁而過熱。CMOS的成像效果一點也不比傳統(tǒng)CCD差。這種能耗低、制造相對容易的感光芯片如果能在影像的銳利度、動態(tài)范圍等方面再做進一步的努力，相信CMOS是未來數(shù)碼相機的發(fā)展方向。高清攝像監(jiān)控眾所周知，目前的圖像傳感器主要分為CCD和CMOS兩大陣營。在傳統(tǒng)觀念中，CCD具有高解析度、低噪點等優(yōu)點；而CMOS由于噪點問題，一直與電腦攝像頭、手機攝像頭等低畫質(zhì)的電子產(chǎn)品聯(lián)系在一起。其實不然，現(xiàn)在CMOS攝像機絕非只局限于簡單、低端的應用，甚至在高清攝像領域有了與CCD一較高下的實力。本文就CCD與CMOS的工作原理、區(qū)別、優(yōu)劣和適用場合作出詳細的分析。CCD是英文ChargeCoupledDevice的縮寫，中文翻譯為電荷耦合器件。它是1969年美國貝爾實驗室的WB博伊爾（WBBoyle）和GE史密斯（GESmith）等人研制出來的，其使用一種高感光度的半導體材料制成，包含眾多感光元件，每個感光元件叫一個像素，CCD可以看做這些像素的集合體。當CCD表面受到光線照射時，每個感光單位會將電荷反映在組件上，所有的感光單位產(chǎn)生的信號加在一起，就構成了一幅完整的畫面。而CMOS英文全稱是Comple-mentaryMetal-OxideSemicon-ductor,即互補金屬氧化物半導體，與CCD一樣也是記錄光線變化的半導體。CMOS的制造技術和一般計算機芯片沒什么差別，主要是利用硅和鍺這兩種元素所做成的半導體，使其在CMOS上共存著帶負電（N極）和正電（P極）的半導體，這兩個互補效應所產(chǎn)生的電流即可被處理芯片記錄和解讀成影像。再透過芯片上的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）將獲得的模擬影像信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號輸出。可以看到，無論是CCD還是CMOS,它們都采用感光元件作為影像捕獲的基本手段，其核心都是一個感光二極管（photodiode），該二極管在接受光線照射之后能夠產(chǎn)生輸出電流，而電流的強度則與光照的強度對應。CCD與CMOS的區(qū)別像素結構不同CCD與CMOS的第一個區(qū)別體現(xiàn)在感光單位即像素結構不同。前者的感光元件除了感光二極管之外，包括一個用于控制相鄰電荷的存儲單元，感光二極管占據(jù)了絕大部分面積。而CMOS感光元件的構成比較復雜，除處于核心地位的感光二極管之外，它還包括放大器與模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，每個像點構成為一個感光二極管和三顆晶體管，而感光二極管占據(jù)的面積只是整個元件的一小部分。相較于CMOS傳感器，CCD感光元件中的有效感光面積大，在同等條件下可接收較強的光信號，對應的輸出電信號也更強；體現(xiàn)在輸出結果上，就是CMOS傳感器捕捉到的圖像內(nèi)容不如CCD傳感器豐富、銳度較差、圖像細節(jié)丟失情況嚴重且噪點明顯，這也是早期CMOS傳感器大多用于低端場合的原因。ADC位置和數(shù)量不同CCD與CMOS的第二個區(qū)別體現(xiàn)在ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）位置和數(shù)量的不同。CCD每行像素點只對應著一ADC,感光元件每曝光一次，在快門關閉后進行像素轉(zhuǎn)移處理，由控制電路以串行的方式依序傳入緩沖器中，由底端的線路引導輸出至CCD旁的放大器進行放大，再串聯(lián)ADC輸出；相對地，CMOS的設計中每個像素點旁連著一個ADC,信號直接放大并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。 也正是由于這點不同，CCD傳感器中每一個感光元件的信號能形成統(tǒng)一的輸出，這些輸出數(shù)據(jù)經(jīng)放大器統(tǒng)一處理之后，每個像點的電信號強度都獲得同樣幅度的增大；而CMOS每一個感光元件攜帶一個ADC,無法保證每個像點的放大率嚴格一致，致使放大后的圖像數(shù)據(jù)無法代表拍攝物體的原貌。體現(xiàn)在最終的輸出結果上，就是圖像中不可避免地出現(xiàn)噪點，圖像品質(zhì)低于CCD傳感器。CCD與CMOS優(yōu)劣比較看了以上的介紹，也許大家會認為CCD成像清晰、噪點少，所以相對CMOS優(yōu)勢明顯。其實不然，雖然大量的ADC給CMOS帶來了低噪點的缺陷，但也在其他方面顯示出了極大的好處。比較CCD與CMOS,它們在以下五個方面互有優(yōu)劣：靈敏度由于CMOS每個像素包含一個感光二極管、一個電荷/電壓轉(zhuǎn)換單元、一個晶體管以及一個放大器，導致感光二極管占據(jù)的面積只是整個元件的一小部分。過多的額外設備壓縮單一像素的有效感光區(qū)域的表面積，因此在像素尺寸相同的情況下，CMOS傳感器的靈敏度要低于CCD傳感器。直接的后果就是低照度環(huán)境下，CMOS無法像CCD一樣靈敏，成像清晰度大大降低。 成本CCD電荷耦合器存儲的電荷信息，需在同步信號控制下一位一位地實施轉(zhuǎn)移后讀取，電荷信息轉(zhuǎn)移和讀取輸出需要有時鐘控制電路和三組不同的電源相配合，整個電路較為復雜。如果專用通道中有一個像素故障，就會導致一整排的信號擁塞而無法傳遞。因此CCD的良率比CMOS低。而CMOS應用半導體工業(yè)常用的MOS制程，可以一次整合全部周邊設施于單晶片中，節(jié)省加工晶片所需負擔的成本和良率的損失，成本大為降低。噪點由于CMOS每個感光二極體旁都搭配一個ADC放大器，如果以百萬像素計，那么就需要百萬個以上的ADC放大器。由于放大器屬于模擬器件，無法保證每個像點的放大率嚴格一致，致使放大后的圖像無法代表拍攝物體的原貌。因此，對比每行只有單個放大器的CCD,CMOS最終計算出的噪點就比較多。 速度CCD電荷耦合器需在同步時鐘的控制下，以行為單位一位一位地輸出信息，速度較慢；而CMOS光電傳感器采集光信號的同時就可以取出電信號，還能同時處理各單元的圖像信息，速度比CCD電荷耦合器快很多。 功耗CCD傳感器除了在電源管理電路設計上的難度更高之外，電荷耦合器大多需要三組電源供電，耗電量較大；而CMOS光電傳感器只需使用一個電源，耗電量非常小，僅為CCD電荷耦合器的1/8到1/10,CMOS光電傳感器在節(jié)能方面具有很大優(yōu)勢。CCD與CMOS攝像機應用場合通過以上比較分析，能看出CCD與CMOS各有優(yōu)勢?；诖?，我們可以做到揚長避短，在不同應用場合合理選擇CCD或CMOS攝像機。 低照度環(huán)境下宜使用CCD攝像機由于CCD感光單元有效面積大，在光照強度較低的環(huán)境中，能相對清晰地呈現(xiàn)出被攝物體原貌。相反，CMOS傳感器靈敏度低，ISO感光度差，低照時成像清晰度大大降低。所以，在低照度環(huán)境下，如燈光較暗的停車場、樓梯間、封閉通道和暗室等，宜選用感光靈敏的CCD攝像機。隱蔽環(huán)境中使用CMOS攝像機CMOS傳感器可以將所有邏糪-和控制環(huán)都放在同一個硅芯片塊上，使攝像機變得簡單靈巧，因此CMOS攝像機可以做得非常小。而CCD攝像機限于外圍復雜電路影響，體積無法做到CMOS般微型化。對于道路、門口等攝像機易受不法分子攻擊破壞的場合，選用CMOS攝像機能達到隱蔽執(zhí)法、避免攻擊的作用。圖像質(zhì)量