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一文读懂ccd与cmos传感技术的联系和区别

来源:网络整理 热度:℃ 时间:12-11
摘要:关于一文读懂ccd与cmos传感技术的联系和区别的描述: 无论是CCD还是CMOS,它们都采用感光元件作为影像捕获的基本手段,CCD CMOS感光元件的核心都是一个感光二极

  无论是CCD还是CMOS,它们都采用感光元件作为影像捕获的基本手段,CCD/CMOS感光元件的核心都是一个感光二极管(photodiode),该二极管在接受光线照射之后能够产生输出电流,而电流的强度则与光照的强度对应。

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  但在周边组成上,CCD的感光元件与CMOS的感光元件并不相同,前者的感光元件除了感光二极管之外,包括一个用于控制相邻电荷的存储单元,感光二极管占据了绝大多数面积—换一种说法就是,CCD感光元件中的有效感光面积较大,在同等条件下可接收到较强的光信号,对应的输出电信号也更明晰。而CMOS感光元件的构成就比较复杂,除处于核心地位的感光二极管之外,它还包括放大器与模数转换电路,每个像点的构成为一个感光二极管和三颗晶体管,而感光二极管占据的面积只是整个元件的一小部分,造成CMOS传感器的开口率远低于CCD (开口率:有效感光区域与整个感光元件的面积比值);这样在接受同等光照及元件大小相同的情况下,CMOS感光元件所能捕捉到的光信号就明显小于CCD元件,灵敏度较低;体现在输出结果上,就是CMOS传感器捕捉到的图像内容不如CCD传感器来得丰富,图像细节丢失情况严重且噪声明显,这也是早期CMOS 传感器只能用于低端场合的一大原因。

  CMOS开口率低造成的另一个麻烦在于,它的像素点密度无法做到媲美CCD的地步,因为随着密度的提高,感光元件的比重面积将因此缩小,而CMOS开口率太低,有效感光区域小得可怜,图像细节丢失情况会愈为严重。因此在传感器尺寸相同的前提下,CCD的像素规模总是高于同时期的CMOS传感器,这也是CMOS长期以来都未能进入主流数码相机市场的重要原因之一。每个感光元件对应图像传感器中的一个像点,由于感光元件只能感应光的强度,无法捕获色彩信息,因此必须在感光元件上方覆盖彩色滤光片。在这方面,不同的传感器厂商有不同的解决方案,最常用的做法是覆盖RGB红绿蓝三色滤光片,以1:2:1的构成由四个像点构成一个彩色像素(即红蓝滤光片分别覆盖一个像点,剩下的两个像点都覆盖绿色滤光片),采取这种比例的原因是人眼对绿色较为敏感。而索尼的四色CCD技术则将其中的一个绿色滤光片换为翡翠绿色(英文 Emerald,有些媒体称为E通道),由此组成新的R、G、B、E四色方案。不管是哪一种技术方案,都要四个像点才能够构成一个彩色像素,这一点大家务必要预先明确。

  在接受光照之后,感光元件产生对应的电流,电流大小与光强对应,因此感光元件直接输出的电信号是模拟的。在CCD传感器中,每一个感光元件都不对此作进一步的处理,而是将它直接输出到下一个感光元件的存储单元,结合该元件生成的模拟信号后再输出给第三个感光元件,依次类推,直到结合最后一个感光元件的信号才能形成统一的输出。由于感光元件生成的电信号实在太微弱了,无法直接进行模数转换工作,因此这些输出数据必须做统一的放大处理—这项任务是由CCD传感器中的放大器专门负责,经放大器处理之后,每个像点的电信号强度都获得同样幅度的增大;但由于CCD本身无法将模拟信号直接转换为数字信号,因此还需要一个专门的模数转换芯片进行处理,最终以二进制数字图像矩阵的形式输出给专门的DSP处理芯片。而对于CMOS传感器,上述工作流程就完全不适用了。 CMOS传感器中每一个感光元件都直接整合了放大器和模数转换逻辑,当感光二极管接受光照、产生模拟的电信号之后,电信号首先被该感光元件中的放大器放大,然后直接转换成对应的数字信号。换句话说,在CMOS传感器中,每一个感光元件都可产生最终的数字输出,所得数字信号合并之后被直接送交DSP芯片处理—问题恰恰是发生在这里,CMOS感光元件中的放大器属于模拟器件,无法保证每个像点的放大率都保持严格一致,致使放大后的图像数据无法代表拍摄物体的原貌—体现在最终的输出结果上,就是图像中出现大量的噪声,品质明显低于CCD传感器。

  CCD:电荷藕合器件(Charge CoupLED DevICe),它使用一种高感光度的半导体材料制成,能把光线转变成电荷,通过模数转换器芯片转换成数字信号,数字信号经过压缩以后由相机内部的闪速存储器或内置硬盘卡保存,因而可以轻而易举地把数据传输给计算机,并借助于计算机的处理手段,根据需要和想像来修改图像。CCD由许多感光单位组成,通常以百万像素为单位。当CCD表面受到光线照射时,每个感光单位会将电荷反映在组件上,所有的感光单位所产生的信号加在一起,就构成了一幅完整的画面。

  CMOS:互补型金属氧化物半导体(Complementary Metal-Oxide SEMIconductor)和CCD一样同为在数码相机中可记录光线变化的半导体。CMOS的制造技术和一般计算机芯片没什么差别,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芯片纪录和解读成影像。然而,CMOS的缺点就是太容易出现杂点, 这主要是因为早期的设计使CMOS在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。

  CCD的优势在于成像质量好,但是由于制造工艺复杂,只有少数的厂商能够掌握,所以导致制造成本居高不下,特别是大型CCD,价格非常高昂。在相同分辨率下,CMOS价格比CCD便宜,但是CMOS器件产生的图像质量相比CCD来说要低一些。到目前为止,市面上绝大多数的消费级别以及高端数码相机都使用 CCD作为感应器;CMOS感应器则作为低端产品应用于一些摄像头上,若有哪家摄像头厂商生产的摄想头使用CCD感应器,厂商一定会不遗余力地以其作为卖点大肆宣传,甚至冠以“数码相机”之名。一时间,是否具有CCD感应器变成了人们判断数码相机档次的标准之一。

  CMOS影像传感器的优点之一是电源消耗量比CCD低,CCD为提供优异的影像品质,付出代价即是较高的电源消耗量,为使电荷传输顺畅,噪声降低,需由高压差改善传输效果。但CMOS影像传感器将每一画素的电荷转换成电压,读取前便将其放大,利用3.3V的电源即可驱动,电源消耗量比CCD低。CMOS影像传感器的另一优点,是与周边电路的整合性高,可将ADC与讯号处理器整合在一起,使体积大幅缩小。

  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CCD传感器相比,CMOS传感器的噪点就会增加很多,影响图像品质。