CCD和CMOS相機的差異(yi)
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1成像過程
CMOS 與CCD圖像傳感器(qi)光電轉(zhuan)換的(de)(de)(de)(de)原理相同,他們主要(yao)的(de)(de)(de)(de)差(cha)別在(zai)于信(xin)號(hao)的(de)(de)(de)(de)讀出過(guo)程不同;由于CCD僅有(you)(you)一個(ge)(ge)(或少數幾個(ge)(ge))輸(shu)出節點統一讀出,其信(xin)號(hao)輸(shu)出的(de)(de)(de)(de)一致(zhi)性非常好;而CMOS 芯片(pian)中,每個(ge)(ge)像素都有(you)(you)各(ge)自的(de)(de)(de)(de)信(xin)號(hao)放大器(qi),各(ge)自進行電荷-電壓的(de)(de)(de)(de)轉(zhuan)換,其信(xin)號(hao)輸(shu)出的(de)(de)(de)(de)一致(zhi)性較(jiao)(jiao)差(cha)。但(dan)是(shi)CCD 為了讀出整幅圖像信(xin)號(hao),要(yao)求輸(shu)出放大器(qi)的(de)(de)(de)(de)信(xin)號(hao)帶(dai)寬(kuan)較(jiao)(jiao)寬(kuan),而在(zai)CMOS 芯片(pian)中,每個(ge)(ge)像元中的(de)(de)(de)(de)放大器(qi)的(de)(de)(de)(de)帶(dai)寬(kuan)要(yao)求較(jiao)(jiao)低,大大降低了芯片(pian)的(de)(de)(de)(de)功耗,這就是(shi)CMOS芯片(pian)功耗比CCD 要(yao)低的(de)(de)(de)(de)主要(yao)原因。盡管降低了功耗,但(dan)是(shi)數以百萬(wan)的(de)(de)(de)(de)放大器(qi)的(de)(de)(de)(de)不一致(zhi)性卻帶(dai)來了更高(gao)的(de)(de)(de)(de)固(gu)定噪聲,這又是(shi)CMOS 相對(dui)CCD 的(de)(de)(de)(de)固(gu)有(you)(you)劣勢。
2集成(cheng)性(xing)
從制(zhi)造(zao)工(gong)(gong)藝(yi)的(de)(de)(de)角度(du)看(kan),CCD 中電(dian)(dian)(dian)路(lu)和器(qi)件是(shi)集(ji)成(cheng)(cheng)(cheng)在(zai)半導(dao)體(ti)單晶材料商,工(gong)(gong)藝(yi)較復雜,世界上(shang)只(zhi)有少數幾家(jia)廠商能夠(gou)生(sheng)產CCD 晶元,如DALSA、SONY、松(song)下等。CCD 僅能輸出(chu)模(mo)擬電(dian)(dian)(dian)信號(hao),需(xu)要后續的(de)(de)(de)地址譯(yi)碼(ma)器(qi)、模(mo)擬轉換器(qi)、圖(tu)像(xiang)信號(hao)處理(li)器(qi)處理(li),并且還需(xu)要提(ti)供三組不(bu)同(tong)(tong)電(dian)(dian)(dian)壓的(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)源同(tong)(tong)步時鐘控(kong)制(zhi)電(dian)(dian)(dian)路(lu),集(ji)成(cheng)(cheng)(cheng)度(du)非常低(di)。而CMOS是(shi)集(ji)成(cheng)(cheng)(cheng)在(zai)被稱(cheng)作金屬(shu)氧化物的(de)(de)(de)版單體(ti)材料上(shang),這(zhe)種工(gong)(gong)藝(yi)與(yu)生(sheng)產數以萬計的(de)(de)(de)計算(suan)機(ji)芯(xin)片和存(cun)儲設備等半導(dao)體(ti)集(ji)成(cheng)(cheng)(cheng)電(dian)(dian)(dian)路(lu)的(de)(de)(de)工(gong)(gong)藝(yi)相(xiang)同(tong)(tong),因此聲場CMOS 的(de)(de)(de)成(cheng)(cheng)(cheng)本(ben)(ben)相(xiang)對CCD 低(di)很多(duo)。同(tong)(tong)時CMOS 芯(xin)片能將(jiang)圖(tu)像(xiang)信號(hao)放大器(qi)、信號(hao)讀取電(dian)(dian)(dian)路(lu)、A/D 轉換電(dian)(dian)(dian)路(lu)、圖(tu)像(xiang)信號(hao)處理(li)器(qi)及控(kong)制(zhi)器(qi)等集(ji)成(cheng)(cheng)(cheng)到(dao)一塊(kuai)芯(xin)片上(shang),只(zhi)需(xu)一塊(kuai)芯(xin)片就(jiu)可(ke)以實(shi)現(xian)相(xiang)機(ji)的(de)(de)(de)所有基本(ben)(ben)功能,集(ji)成(cheng)(cheng)(cheng)度(du)很高(gao),芯(xin)片級相(xiang)機(ji)概念就(jiu)是(shi)從這(zhe)產生(sheng)的(de)(de)(de)。隨著(zhu)CMOS 成(cheng)(cheng)(cheng)像(xiang)技術的(de)(de)(de)不(bu)斷(duan)發展,有越(yue)來越(yue)多(duo)的(de)(de)(de)公司可(ke)以提(ti)供高(gao)品(pin)質(zhi)的(de)(de)(de)CMOS 成(cheng)(cheng)(cheng)像(xiang)芯(xin)片,包括:Micron、 CMOSIS、Cypress等。
3速度
在(zai)速(su)(su)(su)度上CCD 采(cai)用逐(zhu)個(ge)光(guang)敏(min)輸(shu)出(chu),只(zhi)能按照規定的程序輸(shu)出(chu),速(su)(su)(su)度較慢。CMOS 有(you)多個(ge)電荷-電壓轉換器和行(xing)列開(kai)關控(kong)制(zhi),讀出(chu)速(su)(su)(su)度快很多,目前(qian)大部分500fps 以(yi)上的高速(su)(su)(su)相機(ji)(ji)都是CMOS 相機(ji)(ji)。此外CMOS 的地址選通開(kai)關可(ke)以(yi)隨機(ji)(ji)采(cai)樣,實現(xian)子窗(chuang)口輸(shu)出(chu),在(zai)僅輸(shu)出(chu)子窗(chuang)口圖像時可(ke)以(yi)獲(huo)得更高的速(su)(su)(su)度。
4噪聲
由(you)于(yu)CCD 技(ji)術發展較(jiao)早,比較(jiao)成熟,采用PN 結或(huo)二(er)氧化硅(SiO2)隔(ge)離層隔(ge)離噪(zao)(zao)聲(sheng),成像(xiang)質量相對CMOS 光電(dian)(dian)(dian)傳(chuan)感器有一定優勢(shi)。由(you)于(yu)CMOS 圖像(xiang)傳(chuan)感器集成度(du)高,各元件(jian)(jian)、電(dian)(dian)(dian)路(lu)之間距離很近,干擾比較(jiao)嚴重(zhong),噪(zao)(zao)聲(sheng)對圖像(xiang)質量影響很大。近年,隨著(zhu)CMOS 電(dian)(dian)(dian)路(lu)消噪(zao)(zao)技(ji)術的不斷發展,為生產高密度(du)的CMOS 圖像(xiang)傳(chuan)感器提供了良好的條件(jian)(jian)。
5成像原理
首先(xian)來看一下CMOS:
CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor)即互補性金屬(shu)氧化物半(ban)導體(ti)(ti),其在微處理器、閃存(cun)和(he)特定用途集成(cheng)電路(lu)(ASIC)的半(ban)導體(ti)(ti)技(ji)術上占有重要的地位(wei)。CMOS和(he)CCD一樣都是可用來感(gan)受光線(xian)變(bian)化的半(ban)導體(ti)(ti)。CMOS主要是利(li)用硅和(he)鍺這兩種(zhong)元素所作成(cheng)的半(ban)導體(ti)(ti),通過CMOS上帶負(fu)電和(he)帶正電的晶體(ti)(ti)管來實現基本的功(gong)能(neng)的。這兩個互補效應所產生的電流(liu)即可被(bei)處理芯片記(ji)錄和(he)解讀成(cheng)影像。
CMOS結(jie)構相對簡單(dan)(dan),與現有的(de)(de)大規模集成電(dian)路生(sheng)產工藝相同,從(cong)而(er)生(sheng)產成本(ben)可以降低。從(cong)原理上講,CMOS的(de)(de)信號(hao)是(shi)以點(dian)為(wei)單(dan)(dan)位(wei)(wei)的(de)(de)電(dian)荷信號(hao),而(er)CCD是(shi)以行為(wei)單(dan)(dan)位(wei)(wei)的(de)(de)電(dian)流信號(hao),前者更(geng)(geng)為(wei)敏感,速度也更(geng)(geng)快,更(geng)(geng)為(wei)省電(dian)。現在好(hao)的(de)(de)CMOS并不比一般CCD差,但(dan)目前CMOS技術發展還不成熟,這種高質量(liang)的(de)(de)CMOS還只應用于(yu)(yu)專(zhuan)業級別的(de)(de)數(shu)碼(ma)相機上,許多低檔(dang)入門型的(de)(de)數(shu)碼(ma)相機使(shi)用的(de)(de)是(shi)廉價低檔(dang)的(de)(de)CMOS,其成像質量(liang)比較差。大的(de)(de)缺點(dian)就是(shi)太(tai)容易出現噪(zao)點(dian), 這主要(yao)是(shi)因為(wei)早期的(de)(de)設計使(shi)CMOS在處理快速變化(hua)的(de)(de)影(ying)像時,由于(yu)(yu)電(dian)流變化(hua)過(guo)于(yu)(yu)頻繁而(er)會(hui)產生(sheng)過(guo)熱的(de)(de)現象。所(suo)以目前如果(guo)購(gou)買消(xiao)費級數(shu)碼(ma)相機還是(shi)要(yao)選擇以CCD為(wei)影(ying)像傳(chuan)感器的(de)(de)。
CCD的成像我(wo)們先來看一下下面(mian)的這(zhe)張(zhang)圖
從(cong)上圖可以看出成像(xiang)過(guo)程如(ru)下(xia):
1、用相(xiang)機拍攝景物時,景物反射的光線(xian)通過(guo)相(xiang)機的鏡頭透射到CCD上。
2、當CCD曝光(guang)后,光(guang)電二極管受(shou)到光(guang)線的激(ji)發釋(shi)放出電荷,感(gan)光(guang)元(yuan)件的電信號便(bian)由此產生(sheng)。
3、CCD控制(zhi)芯片利用(yong)感光元件中的控制(zhi)信(xin)號線路對光電二(er)極(ji)管產生的電流進行控制(zhi),由(you)電流傳輸電路輸出,CCD會(hui)將一次成像(xiang)產生的電 信(xin)號收集起來,統一輸出到放大器(qi)。
4、經過放大和濾波后的(de)電(dian)信號(hao)被送到A/D,由A/D將電(dian)信號(hao)(此時為模擬信號(hao))轉換(huan)為數(shu)字信號(hao),數(shu)值(zhi)的(de)大小和電(dian)信號(hao)的(de)強度即電(dian)壓的(de)高 低成(cheng)正比(bi)。這些數(shu)值(zhi)其(qi)實就是(shi)圖像的(de)數(shu)據(ju)了(le)。
5、不過單(dan)依靠第4步所得到的圖(tu)像(xiang)(xiang)(xiang)數(shu)據(ju)還不能直接生成圖(tu)像(xiang)(xiang)(xiang),還要輸出(chu)到數(shu)字信號處理(li)器(DSP)。在DSP中(zhong),這些圖(tu)像(xiang)(xiang)(xiang)數(shu)據(ju)被(bei)進行色(se) 彩校(xiao)正、白平衡處理(li)(視用戶(hu)在相機中(zhong)的設定而定)等(deng)后(hou)期處理(li),編碼為相機所支持(chi)的圖(tu)像(xiang)(xiang)(xiang)格(ge)式(shi)、分辨率(lv)等(deng)數(shu)據(ju)格(ge)式(shi),然后(hou)才會被(bei)存儲為圖(tu)像(xiang)(xiang)(xiang)文件。
6、圖像文(wen)件就被(bei)寫入到存(cun)儲(chu)器(qi)上(內置或外置存(cun)儲(chu)器(qi))。
CCD相機
目前市面(mian)上(shang)大部分(fen)相機使用的(de)(de)(de)(de)(de)影像(xiang)傳感器是(shi)CCD(Chagre Couled Device),即電荷耦合(he)器,是(shi)一種(zhong)特(te)殊的(de)(de)(de)(de)(de)半導(dao)體(ti)材料。它是(shi)由大量獨立的(de)(de)(de)(de)(de)光(guang)敏元(yuan)(yuan)件(jian)(jian)(jian)組成,這(zhe)些光(guang)敏元(yuan)(yuan)件(jian)(jian)(jian)通(tong)(tong)常是(shi)按(an)(an)矩陣排(pai)列的(de)(de)(de)(de)(de),通(tong)(tong)常以百萬像(xiang)素(su)(megapixel)為單位。相機規格(ge)中的(de)(de)(de)(de)(de)多少(shao)百萬像(xiang)素(su),指的(de)(de)(de)(de)(de)就(jiu)是(shi)CCD的(de)(de)(de)(de)(de)分(fen)辨率,也就(jiu)是(shi)指這(zhe)臺相機的(de)(de)(de)(de)(de)CCD上(shang)有(you)多少(shao)感光(guang)組件(jian)(jian)(jian)。光(guang)線透(tou)過鏡頭照射(she)到(dao)(dao)CCD上(shang),并被(bei)轉換成電荷,每(mei)個元(yuan)(yuan)件(jian)(jian)(jian)上(shang)的(de)(de)(de)(de)(de)電荷量取決于(yu)它所受(shou)到(dao)(dao)的(de)(de)(de)(de)(de)光(guang)照強(qiang)度。當你按(an)(an)動快門,CCD將各個元(yuan)(yuan)件(jian)(jian)(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)信息傳送(song)到(dao)(dao)A/D上(shang),模(mo)擬電信號(hao)經過A/D處理(li)后(hou)變(bian)成數(shu)字(zi)信號(hao),數(shu)字(zi)信號(hao)以一定格(ge)式壓縮(suo)后(hou)存入緩(huan)存內,此時(shi)一張數(shu)碼照片(pian)就(jiu)誕生了。CCD通(tong)(tong)常用在相機、DV和掃(sao)描儀上(shang),作為感光(guang)的(de)(de)(de)(de)(de)組件(jian)(jian)(jian)。
(CCD以及(ji)組(zu)件(jian)放大圖片)
傳統CCD排(pai)(pai)列為矩陣,然(ran)而(er)這樣的(de)(de)(de)作法卻限制了(le)在有(you)效(xiao)面積內提升分辨率的(de)(de)(de)能力。1/1.8CCD的(de)(de)(de)理想值(zhi)大(da)約為六(liu)百(bai)萬(wan)像素(su),而(er)在成本和制造良品率的(de)(de)(de)考慮下降低至四百(bai)萬(wan)是(shi)(shi)合理值(zhi)。因此,有(you)些廠商很(hen)聰(cong)明(ming)的(de)(de)(de)想出(chu)改(gai)變CCD的(de)(de)(de)排(pai)(pai)列順序,藉此想在此范圍(wei)內增強分辨率。由此產生了(le)一(yi)(yi)種比(bi)較(jiao)特殊(shu)的(de)(de)(de)CCD,叫(jiao)SUPER CCD。它是(shi)(shi)富士公(gong)司(si)創造的(de)(de)(de),并沒(mei)有(you)采(cai)用(yong)(yong)常規正方形(xing)二極管,而(er)是(shi)(shi)使用(yong)(yong)了(le)一(yi)(yi)種八邊形(xing)的(de)(de)(de)二極管,像素(su)是(shi)(shi)以(yi)蜂窩狀形(xing)式排(pai)(pai)列,并且(qie)單位像素(su)的(de)(de)(de)面積要比(bi)傳統的(de)(de)(de)CCD大(da)。將像素(su)旋轉45度排(pai)(pai)列的(de)(de)(de)結果是(shi)(shi)可以(yi)縮小對圖像拍攝無(wu)用(yong)(yong)的(de)(de)(de)多余空間,光線集中的(de)(de)(de)效(xiao)率比(bi)較(jiao)高,效(xiao)率增加之后使感光性、信噪比(bi)和動態范圍(wei)都有(you)所提高。
CCD的結構
很多用戶以(yi)為CCD只是(shi)(shi)(shi)(shi)一塊芯(xin)片而已。但實際上CCD是(shi)(shi)(shi)(shi)和(he)處理器做成一個完整的組(zu)(zu)件(jian)(見下圖)。這樣的設計可以(yi)確保DC的組(zu)(zu)件(jian)化,降低維修和(he)檢查的成本(也就是(shi)(shi)(shi)(shi)說可以(yi)運用計算機檢測(ce)組(zu)(zu)件(jian)運作,一旦自我檢查出特定(ding)組(zu)(zu)件(jian)問題(ti),直接(jie)更換整個組(zu)(zu)件(jian),而不需要再一個個去測(ce)試單體,簡單省(sheng)事,這也是(shi)(shi)(shi)(shi)DC維修費高的一個原因)
如果切開(kai)CCD,會(hui)發現(xian)CCD的(de)(de)(de)(de)結(jie)構就(jiu)像(xiang)三(san)明治一(yi)樣,第一(yi)層是(shi)(shi)(shi)微(wei)型(xing)鏡(jing)頭,第二(er)層是(shi)(shi)(shi)分(fen)(fen)(fen)色(se)(se)(se)(se)(se)(se)(se)濾(lv)色(se)(se)(se)(se)(se)(se)(se)片(pian),以(yi)(yi)(yi)(yi)及(ji)第三(san)層感(gan)(gan)光(guang)匯流片(pian)。為什么“鏡(jing)頭”會(hui)直接做(zuo)在(zai)(zai)(zai)CCD上(shang)(shang)呢?其實,這應(ying)該是(shi)(shi)(shi)英語(yu)翻譯上(shang)(shang)的(de)(de)(de)(de)問題,具體原(yuan)因我(wo)也不(bu)太清(qing)楚。ON-CHIP MICRO LENS是(shi)(shi)(shi)1980年(nian)初由SONY發展出來(lai)的(de)(de)(de)(de)技術。這是(shi)(shi)(shi)為了有效提升CCD的(de)(de)(de)(de)像(xiang)素,又要確保單(dan)(dan)一(yi)像(xiang)素持續縮小(xiao)以(yi)(yi)(yi)(yi)維持CCD的(de)(de)(de)(de)標準體積。因此(ci)必須擴展單(dan)(dan)一(yi)像(xiang)素的(de)(de)(de)(de)受光(guang)面(mian)積。但利用(yong)提高(gao)(gao)開(kai)口率(lv)(lv)來(lai)增加受光(guang)面(mian)積反而使畫質(zhi)變差(cha)。所以(yi)(yi)(yi)(yi)開(kai)口率(lv)(lv)只(zhi)能(neng)提升到一(yi)定的(de)(de)(de)(de)極(ji)限,否則CCD將(jiang)成為劣質(zhi)品。為改(gai)善這個問題,SONY率(lv)(lv)先在(zai)(zai)(zai)每(mei)一(yi)個感(gan)(gan)光(guang)二(er)極(ji)管上(shang)(shang)(單(dan)(dan)一(yi)像(xiang)素)裝置(zhi)了微(wei)小(xiao)鏡(jing)片(pian)。這個設(she)計(ji)就(jiu)像(xiang)是(shi)(shi)(shi)幫(bang)CCD掛上(shang)(shang)眼鏡(jing)一(yi)樣,感(gan)(gan)光(guang)面(mian)積不(bu)再因為傳感(gan)(gan)器的(de)(de)(de)(de)開(kai)口面(mian)積而決定,而改(gai)由微(wei)型(xing)鏡(jing)片(pian)的(de)(de)(de)(de)表面(mian)積來(lai)決定。如此(ci)一(yi)來(lai),可(ke)以(yi)(yi)(yi)(yi)同時兼顧(gu)單(dan)(dan)一(yi)像(xiang)素的(de)(de)(de)(de)大小(xiao),又可(ke)在(zai)(zai)(zai)規格上(shang)(shang)提高(gao)(gao)了開(kai)口率(lv)(lv),使感(gan)(gan)光(guang)度(du)大幅(fu)提升。CCD的(de)(de)(de)(de)第二(er)層是(shi)(shi)(shi)分(fen)(fen)(fen)色(se)(se)(se)(se)(se)(se)(se)濾(lv)色(se)(se)(se)(se)(se)(se)(se)片(pian),目前有兩種分(fen)(fen)(fen)色(se)(se)(se)(se)(se)(se)(se)方式(shi),一(yi)是(shi)(shi)(shi)RGB原(yuan)色(se)(se)(se)(se)(se)(se)(se)分(fen)(fen)(fen)色(se)(se)(se)(se)(se)(se)(se)法(fa),另一(yi)個則是(shi)(shi)(shi)CMYG補(bu)色(se)(se)(se)(se)(se)(se)(se)分(fen)(fen)(fen)色(se)(se)(se)(se)(se)(se)(se)法(fa),這兩種方法(fa)各有利弊(bi)。不(bu)過(guo)(guo)以(yi)(yi)(yi)(yi)產(chan)量來(lai)看,原(yuan)色(se)(se)(se)(se)(se)(se)(se)和補(bu)色(se)(se)(se)(se)(se)(se)(se)CCD的(de)(de)(de)(de)比(bi)例(li)大約在(zai)(zai)(zai)2:1左右(you)。原(yuan)色(se)(se)(se)(se)(se)(se)(se)CCD的(de)(de)(de)(de)優勢(shi)在(zai)(zai)(zai)于畫質(zhi)銳利,色(se)(se)(se)(se)(se)(se)(se)彩真實,但缺(que)點則是(shi)(shi)(shi)噪聲問題。因此(ci)一(yi)般采用(yong)原(yuan)色(se)(se)(se)(se)(se)(se)(se)CCD的(de)(de)(de)(de)DC,在(zai)(zai)(zai)ISO感(gan)(gan)光(guang)度(du)上(shang)(shang)多(duo)半(ban)不(bu)會(hui)超過(guo)(guo)400。相對的(de)(de)(de)(de)補(bu)色(se)(se)(se)(se)(se)(se)(se)CCD多(duo)了一(yi)個Y黃色(se)(se)(se)(se)(se)(se)(se)濾(lv)色(se)(se)(se)(se)(se)(se)(se)器,在(zai)(zai)(zai)色(se)(se)(se)(se)(se)(se)(se)彩的(de)(de)(de)(de)分(fen)(fen)(fen)辨上(shang)(shang)比(bi)較仔細(xi),但卻犧牲了部分(fen)(fen)(fen)分(fen)(fen)(fen)辨率(lv)(lv),而在(zai)(zai)(zai)ISO值上(shang)(shang),補(bu)色(se)(se)(se)(se)(se)(se)(se)CCD可(ke)以(yi)(yi)(yi)(yi)容忍較高(gao)(gao)的(de)(de)(de)(de)感(gan)(gan)度(du),一(yi)般都可(ke)設(she)定在(zai)(zai)(zai) 800以(yi)(yi)(yi)(yi)上(shang)(shang)。(關于這兩種分(fen)(fen)(fen)色(se)(se)(se)(se)(se)(se)(se)方式(shi)見下圖)
CCD的(de)第(di)三層是感光(guang)匯流片,這層主要是負責將穿透濾(lv)色層的(de)光(guang)源轉換成(cheng)電子信(xin)號,并將信(xin)號傳送到影像處理芯(xin)片,將影像還原。
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