浅析CCD与CMOS技术

    数码相机的发展真可谓一日千里 ，近来各种新的感光技术纷纷涌现 。很多数码相机生产厂商大肆宣扬自己的产品像素有多少多少高 ，画质怎么怎么好 。顾客在选购数码相机时也比较困惑 ，心里没底。为了让大家对目前市场上常见的三种数码相机感光芯片--CCD 、CCD 、CMOS有一个大概的了解 ，老哥俱乐部对这三种感光元件做了个总结 ，欢迎各位读者和老哥俱乐部进行探讨 。

　　大部分数码相机使用的感光元件是CCD（ChagreCouledDevice） ，它的中文名字叫电荷耦合器 ，是一种特殊的半导体材料 。他是由大量独立的光敏元件组成 ，这些光敏元件通常是按矩阵排列的 。光线透过镜头照射到CCD上 ，并被转换成电荷 ，每个元件上的电荷量取决于它所受到的光照强度 。当你按动快门 ，CCD将各个元件的信息传送到模/数转换器上 ，模拟电信号经过模/数转换器处理后变成数字信号 ，数字信号以一定格式压缩后存入缓存内 ，此时一张数码照片诞生了 。然后图像数据根据不同的需要以数字信号和视频信号的方式输出 。

　　目前主要有两种类型的CCD光敏元件 ，分别是线性CCD和矩阵性CCD 。线性CCD用于高分辨率的静态照相机 ，它每次只拍摄图象的一条线 ，这与平板扫描仪扫描照片的方法相同 。这种CCD精度高 ，速度慢，无法用来拍摄移动的物体 ，也无法使用闪光灯 。因此在很多场合不适用控制工程网版权所有 ，不在今天老哥俱乐部讨论的范围里 。另一种是矩阵式CCD ，它的每一个光敏元件代表图象中的一个像素 ，当快门打开时 ，整个图象一次同时曝光 。通常矩阵式CCD用来处理色彩的方法有两种 。一种是将彩色滤镜嵌在CCD矩阵中 ，相近的像素使用不同颜色的滤镜 。典型的有G-R-G-B和C-Y-G-M两种排列方式 。这两种排列方式成像的原理都是一样的 。在记录照片的过程中 ，相机内部的微处理器从每个像素获得信号 ，将相邻的四个点合成为一个像素点 。该方法允许瞬间曝光 ，微处理器能运算地非常快 。这就是大多数数码相机CCD的成像原理 。因为不是同点合成 ，其中包含着数学计算 ，因此这种CCD最大的缺陷是所产生的图象总是无法达到如刀刻般的锐利 。另一种处理方法是使用三棱镜 ，他将从镜头射入的光分成三束 ，每束光都由不同的内置光栅来过滤出某一种三原色 ，然后使用三块CCD分别感光 。这些图象再合成出一个高分辨率 、色彩精确的图象 。如300万像素的相机就是由三块300万像素的CCD来感光 。也就是可以做到同点合成 ，因此拍摄的照片清晰度相当高 。该方法的主要困难在于其中包含的数据太多 。在你照下一张照片前 ，必须将存储在相机的缓冲区内的数据清除并存盘 。因此这类相机对其他部件的要求非常高 ，其价格自然也非常昂贵 。

　　CCD是由富士公司独家推出的 ，它并没有采用常规正方形二极管 ，而是使用了一种八边形的二极管 ，像素是以蜂窝状形式排列控制工程网版权所有 ，并且单位像素的面积要比传统的CCD大 。将像素旋转45度排列的结果是可以缩小对图像拍摄无用的多余空间 ，光线集中的效率比较高，效率增加之后使感光性 、信噪比和动态范围都有所提高 。富士公司宣称 ，CCD可以实现相当于ISO800的高感度 ，信噪比比以往增加30％左右 ，颜色的再现也大幅改善 ，电量消耗减少了许多 。富士公司宣称CCD可与多40%像素的传统CCD的分辨率相媲美 ，SUPRECCD打破了以往CCD有效像素小于总像素的金科玉律 ，可以在240万像素的CCD上输出430万像素的画面来 。因此 ，富士公司和他们的CCD一推出即在业界引起了广泛的关注 。在传统CCD上为了增加分辨率 ，大多数数码相机生产厂商对民用级产品采取的办法是不增大CCD尺寸 ，降低单位像素面积 ，增加像素密度 。老哥俱乐部知道单位像素的面积越小 ，其感光性能越低 ，信噪比越低 ，动态范围越窄 。因此这种方法不能无限制地增大分辨率 。如果不增加CCD面积而一味地提高分辨率 ，只会引起图象质量的恶化 。但如果在增加CCD像素的同时想维持现有的图象质量 ，就必须在至少维持单位像素面积不减小的基础上增大CCD的总面积 。但目前更大尺寸CCD加工制造比较困难 ，成品率也比较低 ，因此成本也一直降不下来 。

　　传统CCD中的每个像素由一个二极管 、控制信号路径和电量传输路径组成 。CCD采用蜂窝状的八边二极管 ，原有的控制信号路径被取消了 ，只需要一个方向的电量传输路径即可 ，感光二极管就有更多的空间 。CCD在排列结构上比普通CCD要紧密 ，此外像素的利用率较高 ，也就是说在同一尺寸下 ，CCD的感光二极管对光线的吸收程度也比较高 ，使感光度 、信噪比和动态范围都有所提高 。为什么CCD的输出像素会比有效像素高呢 ？老哥俱乐部知道CCD对绿色不很敏感 ，因此是以G－B－R－G来合成 。各个合成的像素点实际上有一部分真实像素点是共用 ，因此图象质量与理想状态有一定差距 ，这就是为什么一些高端专业级数码相机使用3CCD分别感受RGB三色光的原因 。而CCD通过改变像素之间的排列关系 ，做到了R 、G 、B像素相当 ，在合成像素时也是以三个为一组 。因此传统CCD是四个合成一个像素点 ，其实只要三个就行了 ，浪费了一个 ，而CCD就发现了这一点 ，只用三个就能合成一个像素点 。也就是说 ，CCD每4个点合成一个像素 ，每个点计算4次 ；CCD每3个点合成一个像素 ，每个点也是计算4次 ，因此CCD像素的利用率较传统CCD高 ，生成的像素就多了 。这是要以事实来说话的 ，再有道理的理论没有事实基础还是一句空话 。经过老哥俱乐部反复对富士CCD的几款民用级数码相机试拍后发现 ，至少对民用级的CCD来说 ，在其最大分辨率的图象质量并没有人们想象地那么好 。除了色彩还原比较艳丽外 ，老哥俱乐部可以在蓝天和暗部细节发现有明显的噪音信号 ，成像清晰度一般 。这就说明240万像素的民用级CCD无法达到其标称的430万输出像素 。那么240万像素的CCD到底相当于多少像素的CCD呢 ？根据上一段的陈述 ，我认为CCD对像素的利用率比CCD高33％ ，因此其输出像素也应该比CCD高33％ 。富士FINEPIX4900的总像素为240万像素 ，根据我的估算 ，它的输出像素大概相当于320万（240×133％＝320万） 。而4900标称的输出尺寸是430万像素 ，那么这110万像素是怎么多出来的呢 ？我想可能是使用了插值技术 。这就可能是为什么老哥俱乐部在以100％的尺寸看CCD拍摄的照片总不是很清楚的原因了 。如果要客观公正地对待使用CCD的FINEPIX4900 、FINEPIX4700等相机就应该将其看作一部320万像素的数码相机 。

　　老哥俱乐部对CMOS的认识是从去年佳能公司发布EOSD30的准专业级数码机身开始的 。当时许多业内人士都大吃一惊 ，对采用这种廉价的材料来做感光元件感到不可思议 ，认为CMOS的成像质量无法满足较高要求的专业用户的需要 。那用CMOS做的感光元件在成像质量上真的一无是处吗 ？还是让老哥俱乐部先来了解一下什么是CMOS吧 。CMOS即互补性金属氧化物半导体 ，其在微处理器 、闪存和ASIC（特定用途集成电路）的半导体技术上占有绝对重要的地位 。CMOS和CCD一样都可用来感受光线变化的半导体 。CMOS主要是利用硅和锗这两种元素所做成的半导体 ，通过CMOS上带负电和带正电的晶体管来实现基本的功能的 。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 。?燙MOS针对CCD最主要的优势就是非常省电 。不像由二极管组成的CCD ，CMOS电路几乎没有静态电量消耗，只有在电路接通时才有电量的消耗 。这就使得CMOS的耗电量只有普通CCD的1/3左右 ，这有助于改善人们心目中数码相机是"电老虎"的不良印象 。老哥俱乐部知道在佳能EOS系列AF相机上 ，CMOS一直在测光对焦系统中使用 。佳能在这方面有雄厚的技术力量和丰富的经验 。发展到今日已经比较容易地以较低的成本制造较大大尺寸的CMOS感光芯片 ，并且CMOS可以将影像处理电路集成在芯片上 。CMOS主要问题是在处理快速变化的影像时 ，由于电流变化过于频繁而过热 。暗电流抑制得好就问题不大控制工程网版权所有 ，如果抑制得不好就十分容易出现杂点 。D30有专门的回路控制暗电流 ，在长于1秒的曝光时降噪系统会自动工作 ，可以从很大程度上降低噪点的产生 。

　　此外 ，CMOS与CCD的图像数据扫描方法有很大的差别 。举个例子 ，如果分辨率为300万像素 ，那么CCD传感器可连续扫描300万个电荷 ，扫描的方法非常简单 ，就好像把水桶从一个人传给另一个人 ，并且只有在最后一个数据扫描完成之后才能将信号放大 。CMOS传感器的每个像素都有一个将电荷转化为电子信号的放大器 。因此 ，CMOS传感器可以在每个像素基础上进行信号放大 ，采用这种方法可节省任何无效的传输操作 ，所以只需少量能量消耗就可以进行快速数据扫描，同时噪音也有所降低 。这就是佳能的像素内电荷完全转送技术 。老哥俱乐部通过INTERNET查看了大量由CANONEOSD30所拍摄的照片 ，发现CMOS的成像效果一点也不比传统CCD差 。这种能耗低 、制造相对容易的感光芯片如果能在影像的锐利度 、动态范围等方面再做进一步的努力 ，相信CMOS是未来数码相机的发展方向 。

                                                            --摘自中国视觉网