感光元件 CCD及CMOS 对比介绍.doc

感光元件 CCD及CMOS 对比介绍为了便于大家了解数码相机感光元件CCD或COSM。其性能优劣，各有千秋。以下的文章是网上流传，加以转载：CCD 英文全名 Charge Coupled Device，感光耦合元件，CCD为数位相机中可记录光线变化的半导体，通常以百万像素megapixel为单位。数位相机规格中的多少百万像素，指的就是CCD的解析度，也代表着这台数位相机的 CCD 上有多少感光元件。 CCD 主要材质为硅晶半导体，基本原理类似 CASIO 计算机上的太阳能电池，透过光电效应，由感光元件表面感应来源光线，从而转换成储存电荷的能力。简单的说，当 CCD 表面接受到快门开启，镜头进来的光线照射时， 即会将光线的能量转换成电荷，光线越强、电荷也就越多，这些电荷就成为判断光线强弱大小的依据。CCD 元件上安排有通道线路，将这些电荷传输至放大解码原件，就能还原 所有CCD上感光元件产生的讯号，并构成了一幅完整的画面。此一特性，使得 CCD 通用在数位相机Digital Camera与扫瞄器Scanner上，作为目前最大宗之感光元件来源。 英文全名 Complementary metel-Oxide Semiconductor，互补性氧化金属半导体，CMOS和CCD一样同为在数码相机中可记录光线变化的半导体 ，外观上几乎无分轩轾。但，CMOS的製造技术和CCD 不同，反而比较接近一般电脑晶片。CMOS的材质主要是利用硅和锗这两种元素所做成的半导体，使其在CMOS上共存着带N（带 电） 和 P（带 + 电）级的半导体，这两个互补效应所产生的电流即可被处理晶片纪录和解读成影像。然而，CMOS因为在画素的旁边就放置了讯号放大器，导致其缺点容易出现杂点 ，特别是处理快速变化的影像时，由于电流变化过于频繁而会产生过热的现象，更使得杂讯难以抑制。CCD和CMOS相机的成像特点对比：CCD采用CCD的数码单反，图像饱和度较高，图像较为锐利，质感更加真实，尤其是在低感光度下，成像有良好的表现。但是，从目前数码单反的表现来看，CCD的噪点随着感光度的升高而增加较快，高感光度下的噪点控制并不是CCD传感器的强项也就是说，CCD传感器的优势表现在低感光度下，这时候能充分发挥CCD传感器的优势，比如色彩鲜艳，图像质感鲜活等等。CCD的另一个特点是，它的表面更容易形成静电场，所以比更容易吸附灰尘。所以，对于采用CCD传感器的数码单反来说，你可能需要更注意防尘。目前，在市场上主流的数码单反中，采用CCD传感器的数码单反包括尼康D40/D40X，D60，D80，D200，索尼a100/200/300/350，CMOSCMOS的特性在某些程度上跟CCD完全相反。CMOS传感器在低感光度下的成像也非常干净，但是，采用CMOS传感器的数码单反成像看上去偏灰（在不调整的情况下），色彩饱和度较低，质感和锐度的表现也要稍逊一筹。但是，目前大多数CMOS具备硬件降噪机制，所以噪点随着感光度的升高增加较慢，所以，在高感光度下，CMOS传感器表现反而好过CCD传感器。佳能的全系列数码单反均采用CMOS传感器，这也是佳能的数码单反在高感光度下表现较好的一个原因。而尼康D300、D700、D3，索尼a700、宾得K20D、三星GX-20等采用CMOS传感器的数码单反在高感光度下也有较好的表现。CMOS的另一个优点是数据读取速度快，因此那些连拍速度较快的数码单反都清一色采用CMOS传感器。另外，CMOS相对CCD的功耗较低，除了省电以外，也相对较不容易吸附灰尘。CMOS 对抗 CCD的优势在于成本低，耗电需求少, 便于制造, 可以与影像处理电路同处于一个晶片上。但由于上述的缺点，CMOS 只能在经济型的数位相机市场中生存。 不过，新一代 Fill Factor CMOS 成为解决这个难题的救星，Fill factor CMOS 属于此型感测器中最先进的製程技术。最大的差别在于提高 Fill Factor（单一画素中可吸收光的面积对整个画素的比例），有效做到提升敏感度、放大CMOS面积（全画幅）和降低杂讯的影响。再将 Fill Factor CMOS 与 CCD 感光器比较发现，CCD 受限于良率和结构製程，面积越小，画素越高，相对成本也就越低；Fill Factor CMOS 刚好相反，由于感光开口加大，FF CMOS 可以挑战更高画素，更大面积（全画幅），甚至就产出比例来说，FF CMOS 单一晶圆的附加价值更大。由于 Fill Factor CMOS 技术的特殊性，自身拥有晶圆生产设备的Canon 可以说是最早体悟到 Fill Factor CMOS 的市场潜力。Canon EOS D30 是该公司最早选择以 FF CMOS当感光元件数位 DSLR 产品，低廉的价格颇受消费者支持。虽然，EOS D30的画质表现普通，不过，后续的研究整合了完整的图像处理引擎等，更高速且尖端的影像技术，今日，採用大画素、全片幅之 Fill Factor CMOS 已经成为主流，高阶旗舰级全片幅数位机身包括：Canon 1DsMarkII、Kodak DCS Pro/c 也全面採用 Fill factor CMOS。比较 CCD 和 CMOS 的结构，放大器的位置和数量是最大的不同之处,简单地解释：CCD 每曝光一次，自快门关闭或是内部时脉自动断线（电子快门）后，即进行画素转移处理，将每一行中每一个画素（pixel）的电荷信号依序传入缓冲器（电荷储存器）中，由底端的线路导引输出至 CCD 旁的放大器进行放大，再串联 ADC（类比数位资料转换器） 输出；相对地，CMOS 的设计中每个画素旁就直接连着放大器，光电讯号可直接放大再经由 BUS 通路移动至 ADC 中转换成数位资料。CCD 与 CMOS 感光元件之优缺点比较.CMOS设计单一感光器感光器连结放大器灵敏度同样面积下较高感光开口小 灵敏度低成本高低解析度结构複杂度低解析度高传统技术较低讯比多元放大器 杂讯低误差大 杂讯高耗能比需外加电压导出电荷，耗能高像素直接放大，耗能低反应速度慢快由于构造上的基本差异，我们可以看出CCD和CMOS在性能上的不同：CCD的特色在于充分保持信号在传输时不失真（专属通道设计），透过每一个画素集合至单一放大器上再做统一处理，可以保持资料的完整性；CMOS的制程较简单，没有专属通道的设计，因此必须先行放大再整合各个画素的资料。整体来说，CCD 与 CMOS 两种设计的应用，反应在成像效果上，形成包括 ISO 感光度、製造成本、解析度、杂讯与耗电量等，不同类型的差异对比如下：ISO感光度差异：由于 CMOS 每个画素包含了放大器与A/D转换电路，过多的额外设备压缩单一画素的感光区域的表面积，因此在 相同画素下，同样大小之感光器尺寸，CMOS的感光度会低于CCD。成本差异：CMOS 应用半导体工业常用的 MOS制程，可以一次整合全部周边设施于单晶片中，节省加工晶片所需负担的成本 和良率的损失；相对地 CCD 採用电荷传递的方式输出资讯，必须另闢传输通道，如果通道中有一个画素故障（Fail），就会导致一整排的讯号壅塞，无法传递，因此CCD的良率比CMOS低，加上另闢传输通道和外加 ADC 等周边，CCD的製造成本相对高于CMOS。解析度差异：在第一点感光度差异中，由于 CMOS 每个画素的结构比 CCD 複杂，其感光开口不及CCD大，相对比较相同尺寸的CCD与CMOS感光器时，CCD感光器的解析度通常会优于CMOS。不过，如果跳脱尺寸限制，目前业界的CMOS 感光原件已经可达到1400万 画素 / 全片幅的设计，CMOS 技术在量率上的优势可以克服大尺寸感光原件製造上的困难，特别是全片幅 24mm-by-36mm 这样的大小。杂讯差异：由于CMOS每个感光二极体旁都搭配一个 ADC 放大器，如果以百万画素计，那麽就需要百万个以上的 ADC 放大器，虽然是统一製造下的产品，但是每个放大器或多或少都有些微的差异存在，很难达到放大同步的效果，对比单一个放大器的CCD，CMOS最终计算出的杂讯就比较多。耗电量差异：CMOS的影像电荷驱动方式为主动式，感光二极体所产生的电荷会直接由旁边的电晶体做放大输出；但CCD却为被动式，必须外加电压让每个画素中的电荷移动至传输通道。而这外加电压通常需要12伏特（V）以上