中国文明网焦作站签名:数码像机摄像机元件CCD和COMS有什么区别?

来源:百度文库 编辑:杭州交通信息网 时间:2024/03/29 23:26:38

CCD 或 CMOS,基本上两者都是利用矽感光二极体(photodiode)进行光与电的转换。这种转换的原理与各位手上具备“太阳电能”电子计算机的“太阳能电池”效应相近,光线越强、电力越强;反之,光线越弱、电力也越弱的道理,将光影像转换为电子数字信号。

  比较 CCD 和 CMOS 的结构,ADC的位置和数量是最大的不同。简单的说,按我们在上一讲“CCD 感光元件的工作原理(上)”中所提之内容。CCD每曝光一次,在快门关闭后进行像素转移处理,将每一行中每一个像素(pixel)的电荷信号依序传入“缓冲器”中,由底端的线路引导输出至 CCD 旁的放大器进行放大,再串联 ADC 输出;相对地,CMOS 的设计中每个像素旁就直接连着 ADC(放大兼类比数字信号转换器),讯号直接放大并转换成数字信号。

  两者优缺点的比较

  CCD CMOS
  设计 单一感光器 感光器连接放大器
  灵敏度 同样面积下高 感光开口小,灵敏度低
  成本 线路品质影响程度高,成本高 CMOS整合集成,成本低
  解析度 连接复杂度低,解析度高 低,新技术高
  噪点比 单一放大,噪点低 百万放大,噪点高
  功耗比 需外加电压,功耗高 直接放大,功耗低

  由于构造上的基本差异,我们可以表列出两者在性能上的表现之不同。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),透过每一个像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像素的资料。

  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、制造成本、解析度、噪点与耗电量等,不同类型的差异:

  ISO 感光度差异:由于 CMOS 每个像素包含了放大器与A/D转换电路,过多的额外设备压缩单一像素的感光区域的表面积,因此 相同像素下,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 采用电荷传递的方式输出资讯,必须另辟传输通道,如果通道中有一个像素故障(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,加上另辟传输通道和外加 ADC 等周边,CCD的制造成本相对高于CMOS。

  解析度差异:在第一点“感光度差异”中,由于 CMOS 每个像素的结构比 CCD 复杂,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 像素 / 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制造上的困难,特别是全片幅 24mm-by-36mm 这样的大小。

  噪点差异:由于CMOS每个感光二极体旁都搭配一个 ADC 放大器,如果以百万像素计,那么就需要百万个以上的 ADC 放大器,虽然是统一制造下的产品,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最终计算出的噪点就比较多。

  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像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)以上的水平,因此 CCD 还必须要有更精密的电源线路设计和耐压强度,高驱动电压使 CCD 的电量远高于CMOS。

CCD:
图像质量好,杂噪少
缺点是耗电多,不能集成其他电路在芯片里,所以整机的成本也高

CMOS:
CMOS耗电少, 而且可以在芯片里集成一些图象处理电路, 这样可以让成本降低
但是,同样的道理, 这些电路很容易引起杂噪, 所以以前CMOS只用在低档的DC上

CCD与COMS在低端数码相机的选购中是两个非常重要的概念。CCD(感光耦合元件)是数码相机中记录光线变化的半导体,即通常所说的多少百万像素,它的优点是成像质量好,但价格昂贵,比较费电。COMS(互补性氧化金属半导体)同CCD一样也是一种记录光线变化的半导体,但它的缺点是很容易产生杂点,并且发热量较大,但成本低廉。

为了节约成本,很多国产厂商所大肆宣扬的千元价位的低端数码相机都是采用了CMOS感光元件。虽然同样标明的是具有100万或者200万像素的产品,但这种CMOS数码相机的成像质量是无法与同样像素的CCD数码相机相比的。

那CMOS到底最适合作什么呢?

其实目前市场上的CMOS元件主要是应用于摄像头产品。我们在市场中看到的摄像头,使用的其实就是这种CMOS感光元件,它与低端数码相机相比也只是像素上略有不同而已。一般的摄像头本身就具备拍照功能,而很多厂家的数码相机就是在摄像头的基础上增加一个闪光灯、一个液晶屏,再改变一下外形。从本质上来说这种数码相机应该叫做“增强型摄像头”。大家从它的实际拍摄效果也可以看出其成相后的低质量。(佳能EOS-D60等专业数码相机虽然使用CMOS感光元件,但因为和普通CMOS相比有技术上的突破,而且成本很高,因此不在本帖的讨论范围之内。)

同样是电子感光器件,数码器材用来代替胶片的。
由两种感光器件的工作原理可以看出,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。同时,这几年来,CCD从30万像素开始,一直发展到现在的600万,像素的提高已经到了一个极限。

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,例如,CMOS影像传感器只需一组电源,CCD却需三或四组电源,由于ADC与讯号处理器的制程与CCD不同,要缩小CCD套件的体积很困难。但目前CMOS影像传感器首要解决的问题就是降低噪声的产生,未来CMOS影像传感器是否可以改变长久以来被CCD压抑的宿命,往后技术的发展是重要关键。

真是受教了,太好了