CCD和CMOS相機的差異

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1成像過程

CMOS 與CCD圖像(xiang)(xiang)傳(chuan)感器(qi)(qi)(qi)(qi)光電轉(zhuan)換的(de)(de)(de)(de)原理相同，他們主要的(de)(de)(de)(de)差別在(zai)于(yu)信號(hao)的(de)(de)(de)(de)讀出(chu)過(guo)程不(bu)同；由于(yu)CCD僅有一(yi)個(ge)（或(huo)少數幾個(ge)）輸出(chu)節點(dian)統一(yi)讀出(chu)，其信號(hao)輸出(chu)的(de)(de)(de)(de)一(yi)致(zhi)(zhi)性(xing)(xing)(xing)非常好；而(er)CMOS 芯片中(zhong)(zhong)，每個(ge)像(xiang)(xiang)素(su)都有各自的(de)(de)(de)(de)信號(hao)放(fang)(fang)大(da)器(qi)(qi)(qi)(qi)，各自進行電荷(he)-電壓的(de)(de)(de)(de)轉(zhuan)換，其信號(hao)輸出(chu)的(de)(de)(de)(de)一(yi)致(zhi)(zhi)性(xing)(xing)(xing)較差。但(dan)是CCD 為了(le)讀出(chu)整幅圖像(xiang)(xiang)信號(hao)，要求輸出(chu)放(fang)(fang)大(da)器(qi)(qi)(qi)(qi)的(de)(de)(de)(de)信號(hao)帶(dai)(dai)寬較寬，而(er)在(zai)CMOS 芯片中(zhong)(zhong)，每個(ge)像(xiang)(xiang)元中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)放(fang)(fang)大(da)器(qi)(qi)(qi)(qi)的(de)(de)(de)(de)帶(dai)(dai)寬要求較低(di)，大(da)大(da)降(jiang)低(di)了(le)芯片的(de)(de)(de)(de)功耗(hao)，這(zhe)就(jiu)是CMOS芯片功耗(hao)比(bi)CCD 要低(di)的(de)(de)(de)(de)主要原因。盡管降(jiang)低(di)了(le)功耗(hao)，但(dan)是數以百萬的(de)(de)(de)(de)放(fang)(fang)大(da)器(qi)(qi)(qi)(qi)的(de)(de)(de)(de)不(bu)一(yi)致(zhi)(zhi)性(xing)(xing)(xing)卻帶(dai)(dai)來了(le)更(geng)高的(de)(de)(de)(de)固定噪(zao)聲，這(zhe)又是CMOS 相對CCD 的(de)(de)(de)(de)固有劣勢。

2集成性 

從制(zhi)造工(gong)藝的(de)(de)角度(du)(du)看，CCD 中電(dian)(dian)(dian)路(lu)和器(qi)件是集成(cheng)(cheng)在半(ban)導體單晶材料(liao)商，工(gong)藝較復雜(za)，世界上(shang)只(zhi)(zhi)有(you)少數(shu)幾家廠商能(neng)(neng)夠生產CCD 晶元，如DALSA、SONY、松下等(deng)(deng)。CCD 僅能(neng)(neng)輸出模擬(ni)電(dian)(dian)(dian)信(xin)(xin)號，需要后續的(de)(de)地址譯碼器(qi)、模擬(ni)轉(zhuan)換器(qi)、圖(tu)像信(xin)(xin)號處(chu)理(li)器(qi)處(chu)理(li)，并且還需要提供三(san)組不(bu)同(tong)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)源(yuan)同(tong)步時鐘控制(zhi)電(dian)(dian)(dian)路(lu)，集成(cheng)(cheng)度(du)(du)非常低。而CMOS是集成(cheng)(cheng)在被(bei)稱作金屬氧化(hua)物的(de)(de)版單體材料(liao)上(shang)，這(zhe)種(zhong)工(gong)藝與生產數(shu)以(yi)萬計的(de)(de)計算(suan)機(ji)芯(xin)片(pian)和存儲設備等(deng)(deng)半(ban)導體集成(cheng)(cheng)電(dian)(dian)(dian)路(lu)的(de)(de)工(gong)藝相(xiang)(xiang)同(tong)，因(yin)此聲場CMOS 的(de)(de)成(cheng)(cheng)本相(xiang)(xiang)對CCD 低很多(duo)。同(tong)時CMOS 芯(xin)片(pian)能(neng)(neng)將圖(tu)像信(xin)(xin)號放大器(qi)、信(xin)(xin)號讀取(qu)電(dian)(dian)(dian)路(lu)、A/D 轉(zhuan)換電(dian)(dian)(dian)路(lu)、圖(tu)像信(xin)(xin)號處(chu)理(li)器(qi)及控制(zhi)器(qi)等(deng)(deng)集成(cheng)(cheng)到一(yi)(yi)塊芯(xin)片(pian)上(shang)，只(zhi)(zhi)需一(yi)(yi)塊芯(xin)片(pian)就可以(yi)實現相(xiang)(xiang)機(ji)的(de)(de)所有(you)基(ji)本功能(neng)(neng)，集成(cheng)(cheng)度(du)(du)很高，芯(xin)片(pian)級相(xiang)(xiang)機(ji)概念就是從這(zhe)產生的(de)(de)。隨著CMOS 成(cheng)(cheng)像技(ji)術的(de)(de)不(bu)斷發展，有(you)越來(lai)越多(duo)的(de)(de)公司(si)可以(yi)提供高品質的(de)(de)CMOS 成(cheng)(cheng)像芯(xin)片(pian)，包括：Micron、 CMOSIS、Cypress等(deng)(deng)。

3速度

在(zai)速(su)(su)(su)度(du)上CCD 采用逐個(ge)光敏輸(shu)出(chu)(chu)，只能按照(zhao)規定的程(cheng)序輸(shu)出(chu)(chu)，速(su)(su)(su)度(du)較慢(man)。CMOS 有多(duo)個(ge)電荷-電壓轉換器和行列開關控制，讀出(chu)(chu)速(su)(su)(su)度(du)快很多(duo)，目前大(da)部分500fps 以(yi)上的高(gao)速(su)(su)(su)相機都是CMOS 相機。此外CMOS 的地址選通開關可以(yi)隨機采樣，實現子(zi)窗(chuang)口輸(shu)出(chu)(chu)，在(zai)僅輸(shu)出(chu)(chu)子(zi)窗(chuang)口圖像時可以(yi)獲得更高(gao)的速(su)(su)(su)度(du)。

4噪聲 

由(you)于CCD 技術發(fa)展(zhan)(zhan)較早，比較成熟，采用PN 結或二(er)氧化硅（SiO2）隔離層隔離噪(zao)聲(sheng)，成像(xiang)(xiang)質量(liang)相對CMOS 光電(dian)傳感器有一定優勢(shi)。由(you)于CMOS 圖像(xiang)(xiang)傳感器集成度高(gao)，各元件(jian)、電(dian)路之(zhi)間(jian)距離很近，干擾比較嚴重，噪(zao)聲(sheng)對圖像(xiang)(xiang)質量(liang)影響(xiang)很大。近年，隨著(zhu)CMOS 電(dian)路消噪(zao)技術的不斷發(fa)展(zhan)(zhan)，為生(sheng)產高(gao)密度的CMOS 圖像(xiang)(xiang)傳感器提供了良好(hao)的條件(jian)。

5成像原理

首先來(lai)看(kan)一下CMOS： 

CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）即(ji)互(hu)補(bu)性金屬氧化物半(ban)(ban)導(dao)體(ti)，其(qi)在微處(chu)理器、閃(shan)存和(he)特定用途(tu)集成電路(lu)（ASIC）的(de)(de)半(ban)(ban)導(dao)體(ti)技術上占有重要(yao)的(de)(de)地位。CMOS和(he)CCD一(yi)樣都是可用來感受光線(xian)變(bian)化的(de)(de)半(ban)(ban)導(dao)體(ti)。CMOS主要(yao)是利用硅和(he)鍺這兩種元素所作成的(de)(de)半(ban)(ban)導(dao)體(ti)，通過CMOS上帶(dai)負電和(he)帶(dai)正電的(de)(de)晶體(ti)管(guan)來實現(xian)基本的(de)(de)功(gong)能的(de)(de)。這兩個互(hu)補(bu)效應所產生(sheng)的(de)(de)電流即(ji)可被處(chu)理芯片記錄和(he)解讀成影像(xiang)。

CMOS結構(gou)相(xiang)對簡單，與現(xian)(xian)有的(de)(de)大規模集成(cheng)(cheng)電路生(sheng)(sheng)產工藝相(xiang)同，從而(er)生(sheng)(sheng)產成(cheng)(cheng)本可(ke)以(yi)降低(di)。從原(yuan)理上講，CMOS的(de)(de)信號是(shi)以(yi)點(dian)為(wei)單位(wei)的(de)(de)電荷信號，而(er)CCD是(shi)以(yi)行為(wei)單位(wei)的(de)(de)電流(liu)信號，前(qian)者更(geng)為(wei)敏感，速度也更(geng)快，更(geng)為(wei)省(sheng)電。現(xian)(xian)在好的(de)(de)CMOS并不(bu)比一(yi)般CCD差，但目前(qian)CMOS技(ji)術發展(zhan)還(huan)不(bu)成(cheng)(cheng)熟，這(zhe)種高質(zhi)量的(de)(de)CMOS還(huan)只應用(yong)于(yu)專業級別的(de)(de)數(shu)碼(ma)相(xiang)機(ji)(ji)上，許多低(di)檔入門型(xing)的(de)(de)數(shu)碼(ma)相(xiang)機(ji)(ji)使(shi)用(yong)的(de)(de)是(shi)廉價低(di)檔的(de)(de)CMOS，其成(cheng)(cheng)像質(zhi)量比較差。大的(de)(de)缺點(dian)就是(shi)太容易出(chu)現(xian)(xian)噪點(dian), 這(zhe)主(zhu)要是(shi)因為(wei)早期的(de)(de)設計使(shi)CMOS在處理快速變化的(de)(de)影(ying)像時，由于(yu)電流(liu)變化過(guo)于(yu)頻繁而(er)會產生(sheng)(sheng)過(guo)熱的(de)(de)現(xian)(xian)象。所以(yi)目前(qian)如(ru)果購買(mai)消費級數(shu)碼(ma)相(xiang)機(ji)(ji)還(huan)是(shi)要選(xuan)擇以(yi)CCD為(wei)影(ying)像傳感器的(de)(de)。

CCD的(de)成(cheng)像我們先來看一(yi)下(xia)下(xia)面(mian)的(de)這張圖

從上圖可(ke)以看出成像過(guo)程如(ru)下：

1、用(yong)相(xiang)機拍攝景物(wu)時(shi)，景物(wu)反射的(de)光線通過相(xiang)機的(de)鏡頭透射到CCD上。 

2、當CCD曝光(guang)后，光(guang)電二(er)極(ji)管受到(dao)光(guang)線(xian)的激(ji)發釋放出電荷，感光(guang)元件的電信號便由此產生。

3、CCD控制(zhi)芯片(pian)利用感光(guang)元件中的(de)控制(zhi)信號(hao)線路對光(guang)電二極管產(chan)生的(de)電流進行控制(zhi)，由電流傳輸(shu)電路輸(shu)出，CCD會將一次成像(xiang)產(chan)生的(de)電  信號(hao)收集起(qi)來，統一輸(shu)出到放大器。

4、經過放大和濾波后的(de)(de)(de)電(dian)信(xin)號被(bei)送到A/D，由A/D將電(dian)信(xin)號（此時為模擬(ni)信(xin)號）轉換(huan)為數(shu)字信(xin)號，數(shu)值的(de)(de)(de)大小和電(dian)信(xin)號的(de)(de)(de)強度即電(dian)壓的(de)(de)(de)高(gao)   低成正比(bi)。這些數(shu)值其實(shi)就(jiu)是圖像的(de)(de)(de)數(shu)據了。

5、不(bu)過(guo)單依靠(kao)第4步所得到(dao)的(de)圖(tu)(tu)像數(shu)據(ju)還不(bu)能直接生成(cheng)圖(tu)(tu)像，還要(yao)輸出到(dao)數(shu)字信號處(chu)(chu)理(li)(li)器（DSP）。在DSP中(zhong)，這(zhe)些圖(tu)(tu)像數(shu)據(ju)被進(jin)行色    彩(cai)校(xiao)正、白平衡處(chu)(chu)理(li)(li)（視用戶(hu)在相(xiang)機中(zhong)的(de)設定(ding)而定(ding)）等后(hou)期處(chu)(chu)理(li)(li)，編碼(ma)為相(xiang)機所支持(chi)的(de)圖(tu)(tu)像格式(shi)(shi)、分辨率等數(shu)據(ju)格式(shi)(shi)，然后(hou)才會被存儲為圖(tu)(tu)像文(wen)件。 

6、圖像文件就被寫入到存儲器上（內(nei)置(zhi)或(huo)外置(zhi)存儲器）。

CCD相機

目(mu)前市(shi)面上(shang)大部分相(xiang)機(ji)(ji)使(shi)用(yong)的(de)(de)影像(xiang)(xiang)傳(chuan)(chuan)感器是CCD（Chagre Couled Device），即電(dian)(dian)荷耦(ou)合器，是一種特(te)殊的(de)(de)半導(dao)體材(cai)料。它(ta)是由(you)大量獨(du)立的(de)(de)光(guang)敏(min)元(yuan)件(jian)(jian)(jian)組成(cheng)，這(zhe)些光(guang)敏(min)元(yuan)件(jian)(jian)(jian)通常是按(an)矩陣(zhen)排列(lie)的(de)(de)，通常以百萬(wan)像(xiang)(xiang)素(su)（megapixel）為(wei)單位。相(xiang)機(ji)(ji)規格中的(de)(de)多少(shao)百萬(wan)像(xiang)(xiang)素(su)，指的(de)(de)就(jiu)是CCD的(de)(de)分辨率(lv)，也就(jiu)是指這(zhe)臺相(xiang)機(ji)(ji)的(de)(de)CCD上(shang)有多少(shao)感光(guang)組件(jian)(jian)(jian)。光(guang)線透過鏡頭(tou)照射到(dao)CCD上(shang)，并(bing)被轉換(huan)成(cheng)電(dian)(dian)荷，每個元(yuan)件(jian)(jian)(jian)上(shang)的(de)(de)電(dian)(dian)荷量取決于(yu)它(ta)所受(shou)到(dao)的(de)(de)光(guang)照強度(du)。當(dang)你按(an)動快門，CCD將各個元(yuan)件(jian)(jian)(jian)的(de)(de)信(xin)(xin)息(xi)傳(chuan)(chuan)送(song)到(dao)A/D上(shang)，模擬電(dian)(dian)信(xin)(xin)號(hao)(hao)經(jing)過A/D處理后變成(cheng)數字信(xin)(xin)號(hao)(hao)，數字信(xin)(xin)號(hao)(hao)以一定格式壓縮后存(cun)入緩存(cun)內，此時一張數碼照片就(jiu)誕生了(le)。CCD通常用(yong)在相(xiang)機(ji)(ji)、DV和掃描儀上(shang)，作為(wei)感光(guang)的(de)(de)組件(jian)(jian)(jian)。

（CCD以及組件放大(da)圖(tu)片） 

傳統(tong)CCD排列(lie)為(wei)矩陣(zhen)，然而(er)這樣的(de)(de)作法卻(que)限制了在有效(xiao)面積內提升分(fen)(fen)辨率(lv)(lv)的(de)(de)能力。1/1.8CCD的(de)(de)理(li)想(xiang)值大約(yue)為(wei)六百萬像(xiang)素，而(er)在成本和制造良(liang)品率(lv)(lv)的(de)(de)考慮下降低至四百萬是合理(li)值。因此，有些(xie)廠商很聰明的(de)(de)想(xiang)出(chu)改變CCD的(de)(de)排列(lie)順(shun)序，藉此想(xiang)在此范圍內增強分(fen)(fen)辨率(lv)(lv)。由此產生了一種比較特殊的(de)(de)CCD，叫(jiao)SUPER CCD。它是富士公司(si)創造的(de)(de)，并沒有采用(yong)常(chang)規(gui)正方形(xing)二極管(guan)，而(er)是使(shi)用(yong)了一種八(ba)邊形(xing)的(de)(de)二極管(guan)，像(xiang)素是以蜂窩狀形(xing)式排列(lie)，并且(qie)單位像(xiang)素的(de)(de)面積要比傳統(tong)的(de)(de)CCD大。將像(xiang)素旋轉45度排列(lie)的(de)(de)結果(guo)是可(ke)以縮小對(dui)圖像(xiang)拍攝無用(yong)的(de)(de)多(duo)余空間，光(guang)線(xian)集中的(de)(de)效(xiao)率(lv)(lv)比較高，效(xiao)率(lv)(lv)增加之后使(shi)感光(guang)性、信(xin)噪比和動態范圍都(dou)有所提高。

CCD的結構

很多用戶以為CCD只是(shi)一(yi)(yi)塊芯片而已(yi)。但實際上CCD是(shi)和(he)處理器做成一(yi)(yi)個完(wan)整的(de)(de)組(zu)件（見下圖）。這樣的(de)(de)設計可以確保DC的(de)(de)組(zu)件化(hua)，降(jiang)低維修和(he)檢查的(de)(de)成本（也(ye)就是(shi)說可以運用計算機(ji)檢測組(zu)件運作，一(yi)(yi)旦自我檢查出(chu)特定組(zu)件問(wen)題，直接(jie)更換(huan)整個組(zu)件，而不需要再一(yi)(yi)個個去(qu)測試單(dan)體，簡單(dan)省(sheng)事，這也(ye)是(shi)DC維修費高的(de)(de)一(yi)(yi)個原(yuan)因）

如果切開(kai)CCD，會(hui)發現CCD的(de)(de)(de)(de)結構(gou)就像(xiang)(xiang)三明治一(yi)(yi)樣(yang)(yang)，第(di)一(yi)(yi)層是(shi)(shi)微型鏡(jing)(jing)頭，第(di)二層是(shi)(shi)分(fen)(fen)色(se)(se)(se)(se)濾(lv)色(se)(se)(se)(se)片(pian)，以(yi)(yi)及第(di)三層感光(guang)匯(hui)流片(pian)。為(wei)什么“鏡(jing)(jing)頭”會(hui)直接做在(zai)(zai)CCD上(shang)(shang)呢？其實，這(zhe)應該是(shi)(shi)英語翻譯(yi)上(shang)(shang)的(de)(de)(de)(de)問題(ti)(ti)，具(ju)體原(yuan)(yuan)因我也(ye)不太清楚。ON-CHIP MICRO LENS是(shi)(shi)1980年初由SONY發展出(chu)來的(de)(de)(de)(de)技術。這(zhe)是(shi)(shi)為(wei)了有(you)(you)(you)效提(ti)升CCD的(de)(de)(de)(de)像(xiang)(xiang)素(su)，又(you)要(yao)確保單一(yi)(yi)像(xiang)(xiang)素(su)持續縮小(xiao)以(yi)(yi)維持CCD的(de)(de)(de)(de)標準體積(ji)。因此(ci)(ci)必須擴展單一(yi)(yi)像(xiang)(xiang)素(su)的(de)(de)(de)(de)受光(guang)面積(ji)。但(dan)利用提(ti)高開(kai)口(kou)率(lv)來增加受光(guang)面積(ji)反而(er)使畫(hua)質變(bian)差。所以(yi)(yi)開(kai)口(kou)率(lv)只能(neng)提(ti)升到一(yi)(yi)定(ding)的(de)(de)(de)(de)極限，否則CCD將成為(wei)劣質品。為(wei)改(gai)善(shan)這(zhe)個(ge)問題(ti)(ti)，SONY率(lv)先(xian)在(zai)(zai)每一(yi)(yi)個(ge)感光(guang)二極管上(shang)(shang)（單一(yi)(yi)像(xiang)(xiang)素(su)）裝置了微小(xiao)鏡(jing)(jing)片(pian)。這(zhe)個(ge)設計就像(xiang)(xiang)是(shi)(shi)幫CCD掛上(shang)(shang)眼鏡(jing)(jing)一(yi)(yi)樣(yang)(yang)，感光(guang)面積(ji)不再因為(wei)傳感器的(de)(de)(de)(de)開(kai)口(kou)面積(ji)而(er)決(jue)定(ding)，而(er)改(gai)由微型鏡(jing)(jing)片(pian)的(de)(de)(de)(de)表(biao)面積(ji)來決(jue)定(ding)。如此(ci)(ci)一(yi)(yi)來，可(ke)以(yi)(yi)同時兼顧單一(yi)(yi)像(xiang)(xiang)素(su)的(de)(de)(de)(de)大(da)小(xiao)，又(you)可(ke)在(zai)(zai)規格上(shang)(shang)提(ti)高了開(kai)口(kou)率(lv)，使感光(guang)度(du)大(da)幅提(ti)升。CCD的(de)(de)(de)(de)第(di)二層是(shi)(shi)分(fen)(fen)色(se)(se)(se)(se)濾(lv)色(se)(se)(se)(se)片(pian)，目前有(you)(you)(you)兩種(zhong)分(fen)(fen)色(se)(se)(se)(se)方(fang)式，一(yi)(yi)是(shi)(shi)RGB原(yuan)(yuan)色(se)(se)(se)(se)分(fen)(fen)色(se)(se)(se)(se)法(fa)，另(ling)一(yi)(yi)個(ge)則是(shi)(shi)CMYG補(bu)色(se)(se)(se)(se)分(fen)(fen)色(se)(se)(se)(se)法(fa)，這(zhe)兩種(zhong)方(fang)法(fa)各有(you)(you)(you)利弊(bi)。不過(guo)以(yi)(yi)產量來看，原(yuan)(yuan)色(se)(se)(se)(se)和補(bu)色(se)(se)(se)(se)CCD的(de)(de)(de)(de)比例大(da)約(yue)在(zai)(zai)2：1左右。原(yuan)(yuan)色(se)(se)(se)(se)CCD的(de)(de)(de)(de)優勢在(zai)(zai)于畫(hua)質銳利，色(se)(se)(se)(se)彩(cai)真實，但(dan)缺點則是(shi)(shi)噪聲問題(ti)(ti)。因此(ci)(ci)一(yi)(yi)般采(cai)用原(yuan)(yuan)色(se)(se)(se)(se)CCD的(de)(de)(de)(de)DC，在(zai)(zai)ISO感光(guang)度(du)上(shang)(shang)多半(ban)不會(hui)超過(guo)400。相對(dui)的(de)(de)(de)(de)補(bu)色(se)(se)(se)(se)CCD多了一(yi)(yi)個(ge)Y黃色(se)(se)(se)(se)濾(lv)色(se)(se)(se)(se)器，在(zai)(zai)色(se)(se)(se)(se)彩(cai)的(de)(de)(de)(de)分(fen)(fen)辨上(shang)(shang)比較仔(zi)細，但(dan)卻犧牲了部分(fen)(fen)分(fen)(fen)辨率(lv)，而(er)在(zai)(zai)ISO值上(shang)(shang)，補(bu)色(se)(se)(se)(se)CCD可(ke)以(yi)(yi)容(rong)忍較高的(de)(de)(de)(de)感度(du)，一(yi)(yi)般都(dou)可(ke)設定(ding)在(zai)(zai) 800以(yi)(yi)上(shang)(shang)。（關于這(zhe)兩種(zhong)分(fen)(fen)色(se)(se)(se)(se)方(fang)式見下圖）

CCD的第三層(ceng)(ceng)是(shi)(shi)感光匯流片(pian)，這層(ceng)(ceng)主要是(shi)(shi)負責將穿(chuan)透濾色(se)層(ceng)(ceng)的光源轉換成電子信號(hao)，并將信號(hao)傳(chuan)送(song)到影像處理芯片(pian)，將影像還原。 

（來源：網絡，版權歸原作者）