浅谈CCD与Sony CMOS.doc

浅谈CCD与Sony CMOS索尼中国专业系统集团产品部我们都知道成像器件是摄像机,数码照相机的关键部分。成像器件的任务就是实现光电转换 将镜头捕捉的光信号转换成电信号进行处理。目前有两种成像器件: CCD和CMOS。CCD(Charge Coupled Device)电子耦合器件,在上个世纪70年代初开发成功,在80年代初期就被应用于摄像机。现已被广泛应用于摄像机和数码照相机。 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor),即“互补金属氧化物半导体”, 大家都说它是刚刚起步的新技术。其实CMOS也有很长的历史。从上个世纪90年代,人们就已经对CMOS进行广泛的研究了。人们早已开始重视CMOS的一 些特有性能,并逐渐开发利用这些性能,将CMOS广泛地应用到手机、PDA、单反相机等设备上。 CMOS最早是用在计算机CPU和内存上的,是主板上一块可读写的存储芯 片,用于存储计算机系统的时钟信息和硬件配置信息等。随着CMOS技术的发展,CMOS也逐渐应用到摄像机系统中作为成像器,也就是CMOS成像器。由于 CMOS成像器采用一般半导体电路最常用的CMOS工艺,可以轻易地将周边电路(如AGC、CDS、Timing generator、或DSP等)集成到传感器芯片中,从而继承了CMOS低功耗,小型化的特点,非常适用于小型的手持式摄像机。 那么,CMOS与CCD相比有哪些优缺点呢?在说Sony CMOS技术之前,我们首先将传统CMOS与CCD做一简单的比较说明。传统CMOS的主要优点:1, 信号读出速率高。 由于大部分信号处理电路可与CMOS在同一片芯片上制作,信号机驱动传输距离 缩短,电感、电容及寄生延迟降低,信号读出采用X-Y寻址方式,CMOS图像传感器工作速率优于CCD。CCD信号读出速率通常不超过70M pixels/s,CMOS可达1000M pixels/s。因此,CMOS更容易实现高质量的平稳慢动作记录、方便对焦的无损数字图像扩展(Expand)等功能。这些功能在HVR-V1C中都 有体现。 2, 无垂直拖尾。 垂直拖尾指的是当拍摄高亮度发光物体时,如照明灯、太阳, 画面上出现一条垂直亮带。因为在CCD成像器上,当光照产生的电信号超过了二极管(垂直存储器)的容量时,二极管(垂直存储器)电荷会发生溢出,从而产生 了垂直拖尾现象。而由于CMOS特殊的成像结构,这种现象不会出现。 3, 低功耗。 简单地讲,CCD需要很多驱动电压(-7.5V到15V)来驱动电荷转移。在这种电荷转移中需要消耗大量电能。相反,CMOS采用传统CMOS大规模集成电路工艺,只需一个电源驱动就行。CMOS的耗电量仅为CCD的1/8到1/10。 4, 集成程度高。 由于CMOS成像器采用一般CMOS大规模集成电路工艺,所以很容易将其他功能芯片一起整合到CMOS芯片上。比如说在一块芯片上可同时实现视频信号处理和静止图片信号处理,而这在CCD上是难以实现的。集成程度高特点使得CMOS更适合于低功耗的小型手持式摄像机。传统CMOS的主要缺点:1, 固定模式噪点: 由于CMOS每个感光二极管都需搭配一个放大器,如果以百万像素计,那么就需要百万个以上的放大器,而放大器属 于模拟电路,很难让每个放大器所得到的结果保持一致,因此与只有一个放大器放在芯片边缘的发展成熟的CCD成像器相比,CMOS传感器的噪点就会增加很 多,大大影响图像了品质。同时由于集成度高,各光电传感元件、电路之间距离很近,相互之间的光、电、磁干扰较严重。 CMOS成像器产生的典型噪点就是固定模式噪点。这就是人们一直说CMOS的图像质量差比CCD差的主要原 因。所以尽管CMOS有很多优点,但固定模式噪点的缺陷制约了传统CMOS一直只在小尺寸、低价格、对摄像质量无过高要求的领域应用,如监控、视频会议、 手机、PC等,难以应用在高图像质量摄像机中。近几年,随着CMOS电路消噪技术、数字信号处理技术的不断发展,CMOS在这方面的性能已经与CCD相差 无几了。 2, 拍摄快速运动图像时图像变歪。 CCD在光照的同时就能就能将信号存储起来。然后一帧画面的信号从垂直存储区读出。配合着电子快门的使用,这样 的机制可以很好地捕捉到快速运动物体的每一帧画面。而CMOS的扫描时基于行的。每个像素的扫描时间不同。导致了在拍快速运动物体时出现倾斜。图像的倾斜 程度是与运动物体的速度和记录帧率有关的。当记录帧率足够高时,这样的现象就不会被察觉。使用机械快门也可以减轻图像倾斜。 3, 灵敏度较低: 灵敏度代表传感器的光敏单元收集光子产生电荷信号的能力。相同尺寸情况下,CCD的灵敏度要比传统CMOS要 高。这主要是因为CCD像元耗尽区深度可达10mm,具有可见光进近红外光谱段的完全收集能力。CMOS采用0.180.5mm标准CMOS工艺,由于 采用的电阻率硅片须保持地工作电压,像元耗尽区12mm,其吸收截至波长小于650mm,导致像元对红光及近红外光吸收困难。 由以上可以看出,传统CMOS虽然有其许多特有优点,但其在图像质量上的缺点使CMOS一直难以用在对摄像质量要求高的专业摄像机上。随着CMOS技术的发展,特别是最近几年,CMOS的图像质量已经得到了大幅度的改善。其中,以Sony的CMOS研究与开发最为成功。Sony CMOS技术Sony有着多年的CCD开发经验,拥有领先世界的CCD制造技术。近几年Sony将这些经验和技术成功用于新型成像器 件CMOS的开发。传统CMOS的缺点得到了大大的改善甚至全面解决。同时Sony把它在视频信号处理方面的经验与技术用于CMOS成像器,成功开发了充 分利用CMOS优势的视频信号处理算法。结合Sony强大的视频信号处理技术的支持, Sony CMOS成像器的优势大大增强。最终研制成了无论图像质量还是各种性能都能完全胜任专业摄像机要求的CMOS成像器。开创了CMOS应用于专业摄像机的新 时代。 Sony CMOS成像器技术Sony ClearVid CMOS技术Sony除了在不断开发研究更高端的CCD外,还一直大力发展CMOS技术。ClearVid CMOS技术是Sony CMOS技术的重要研究成果,也是Sony多年来对CMOS技术的研究结晶。ClearVid CMOS技术的研发成功使CMOS能够真正地应用在专业摄像机领域。 Clearvid CMOS技术包括两个要点。 第一,它通过将每个像素旋转45,增大每个像素的感光面积,提高灵敏度。 ClearVid CMOS成像器技术将每个像素倾斜45度 第二,通过Sony增强型处理器EIP(Enhanced Image Processor TM)执行内插运算算法,提高成像器解析度。我们知道CMOS传感器的每个象素由四个晶体管与一个感光二极管构成,通过内插运算算法,四周的4个感光二极 管(像素)运算生成一个新的像素(如下图)。大大提高了CMOS成像器的解析度。 四周的四个像素生成一个新的像素 平均每三个像素产生3个新像素 由图4可见,三个原始的像素的通过内插运算得到3个新像点(蓝色部分)。(3 = 1 + 1 + 0.5 + 0.5)。从而在框子里的这一行,现在一共有6个像点了。所以每三个像素推过内插运算就能得到自身两倍的像素。每行960像素内插运算后就能得到1920 个像素。如图5: 水平均960像素内插运算得到1920个像素 内插运算之前的像素分布 内插运算之后的像素分布 关于像素排列技术,目前主要有三种:全像素排列、像素空间偏置、像素倾斜45度(ClearVid CMOS)。这三种像素排列方式的对比见下表: ClearVid CMOS 像素排列与其他像素排列对比(相同尺寸成像器下): 由以上可以看出ClearVid CMOS将像素倾斜45度排列,使用内插运算算法的技术,大大提高了的CMOS成像器灵敏度和分辨率。解决了CMOS在专业领域应用的主要瓶颈。目前, ClearVid CMOS技术已经成功应用于HVR-V1C以及刚刚HVR-HD1000C两款摄录一体机上。 其中HVR-V1C是Sony继HVR-Z1C的第二代HDV产品,采用3 片120万像素ClearVid CMOS,能够记录HDV 1080i,DVCAM和DV格式。它采用卡尔蔡司T型镜头,具有20倍光学的变焦。并且具有超级光学稳定系统,最大程度地防止拍摄图像的抖动。HVR- V1C能够进行真正的25P逐行扫描,配合着其高质量的平稳慢动作记录功能和间隔记录功能,HVR-V1C绝对是低成本电影制作的理想之选。HVR- V1C可以与HVR-DR60硬盘记录单元更好地配合使用,可以进行磁带硬盘同时记录、循环记录以及无磁带记录,为用户提供了多种可选解决方案。 值得一提的是,经过严酷的冷冻实验,HVR-V1C以其在各种恶劣环境下的稳定性能被CCTV选中,承担起了登珠峰高清拍摄任务并成功完成。 总结: 相 对于CCD成像器的发展,CMOS专业成像器是个新生事物。而新生事物的出现一开始总是不被人们所接受。但是新生事物的优异性能必将使它迅速发展。这是一 种趋势!就像液晶监视器与CRT监视器,胶片摄影机和数字摄影机,很多人一开始不接受液晶监视器和数字摄影机,但现在液晶监视器和数字摄影机以其诸多优势 被广泛应用了。这都是因为新技术在发展!很多人一听到CMOS就说成像质量一定不行,一听说25Mbps码流就认为图像质量一定比50Mpbs码流的差, 其实这都是片面的,因为