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CCD技術與CMOS技術的概念與區別
點擊次數: 發布時間:【2016-11-10】
CCD(The Charged Coupled Device即電荷耦合器件)是最常用的感光器件,被廣泛應用于掃描儀、數碼相機、數碼攝像機等產品。CCD器件通過光電效應收集電荷,每行像素的電荷隨時鐘信號被送到模擬移位寄存器上,然后串行轉換為電壓。大多數硅片面積用于光線的收集,光線收集得越多釋放的電荷越多。在設計中,CCD器件要有極高的信噪比、感光靈敏度和良好的動態范圍。要實現這一目標,需要專門處理器、高電壓、多重電源和偏置以及像素點的緊密排列,以構成高分辨率的陣列。CCD生產過程復雜、產量低、成品率底,導致了高成本,因此CCD器件十分昂貴。 
  CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor,即互補金屬氧化物半導體)器件是一種可大規模生產的集成電路,具有成品率高、價格低等特點,相對于CCD而言,CMOS器件技術有一些明顯的特點: 
1、集成度高 
  CMOS器件幾乎可以將相機所需的全部捕獲功能集成到一塊芯片上, 因為CMOS器件成像元件尺寸更小,可以有更多地方放置電路,它甚至可以將模數轉換控制芯片集成在一起,圖像數據不必在迷宮般的電路中被傳來送去,因此極大地提高了捕獲速度。而且CMOS器件更加省電,其功耗僅相當于CCD的1/8。 
  2、有價格優廉 
  CMOS器件結構簡單,從而成品率高,制造成本低。這樣CMOS器件價格上就比CCD有了優勢。當前只有索尼、富士等五家大公司能生產CCD。但是,對于CMOS器件,任何有0.35微米技術的企業都可生產,競爭將使價格下降。目前30萬像素的CMOS傳感器已降到20美元左右,比CCD便宜,而在百萬級像素市場上,價格也將很快會降下來。 
  3、相對的缺點 
  相對于CCD器件來說,CMOS器件也有它的缺點,對光線的靈敏度不好,信噪比也很低,這導致了其在成像質量上難以與CCD抗衡。但新的CMOS器件不斷推陳出新,高動態范圍CMOS器件已經出現,這一技術消除了對快門、光圈、自動增益控制及伽瑪校正的需要,還有的技術在每一像素上放一個ADC,降低了噪聲。主動像素傳感器(APS)技術提高了信噪比和影像效率,并接近了CCD的成像質量。當然,CMOS器件目前還不能在高端數碼相機上與CCD競爭。但是在消費級數碼相機市場上,CMOS器件已經開始成熟,并且將在未來數年內成為數碼相機低端市場的主導技術。 
CCD技術:保證影像杰出 
  CCD(Charge Coupled Device)--電荷耦合器件,是由美國貝爾實驗室于1969年發明的。和PMT(Photo Multiplier Tube)--光學倍增管一樣,它們都是很成功的電子影像感應器,又稱為光學感應器。CCD與PMT現已廣泛應用在諸多科學產品上,如傳真機、 掃描儀、天文望遠鏡等。而CCD則更多地應用于數碼相機、攝像機等一些小型化的產品上。傳統CCD的工作原理就像一臺復印機,利用高亮度的光源,將稿件依次經過反射鏡、投射鏡和分光鏡,反射在CCD元件上。CCD的結構可以形象比喻為一個正在旋轉的巨大的走馬燈,燈上并排排列著許多窗口,按照一定的順序,測量某一時間段內從每個窗口進入的光。早期的CCD基本上是隔行掃描的,所以圖像精度不高。現在一般都是逐行掃描,從而保證了較高的分辨率。CCD體積雖只有硬幣大小,卻非常耐用。 
  采用CCD技術的傳感器總體分為兩大類,分別是通用型CCD傳感器和特殊型CCD傳感器。 
  硅片與專業大尺寸CCD傳感器組件   通用型CCD傳感器,在CCD攝像機方面有了較大的發展。最初CCD攝像機的工作電壓,有+24V、+22V、+12V和+5V等多種。隨著計算機和網絡技術的高速發展,為與PC攝像機和網絡圖形傳輸相配合,現在一般分為+12V與+5V兩種工作電壓,其中通用工作電壓為+12V。為了降低CCD攝像機的成本,并且提高質量,現在許多生產廠家都在致力于CCD攝像機的小型化和數字化。多層板多芯片集成模塊化的制造技術,實現了CCD攝像機的小型化。而DSP數字化處理替代模擬系統的實現,也使CCD攝像機的數字化成為現實。同時CCD攝像機的產品也日趨多樣化,如家庭攝錄一體機、電視電話、掃描儀、PDA、數碼單反相機(DSC)等都在逐漸為人們所熟知。特殊型CCD傳感器的主要產品有電子轟擊式CCD和EBCD等。 
  CCD應用:保證性能穩定 
  伴隨著計算機的廣泛普及,PC攝像頭作為計算機的圖像輸入系統,也在飛速進入各個家庭。而且借助網絡,也能實現視頻及音頻的同步通訊。 
  掃描儀技術的迅猛發展,使得掃描儀的性能日趨優化,但價格卻越來越低,使掃描儀真正進入了尋常百姓的家庭。越來越多的用戶在購買計算機的時候,將掃描儀作為標準配置。掃描儀的廣泛使用,提高了各種資料和圖表的輸入速度,通過互聯網也實現了資料的共享。 

  數碼單反相機作為近年來發展起來的新產品, 是一種新型圖像捕捉設備。數碼相機使用CCD光敏器件代替膠卷感光成像,其原理就是CCD元件的光電效應。在數碼相機中,當光線透過鏡頭傳送到CCD后,CCD會將其轉換為電子信號,再由A/D轉換器變為數字信號,傳到DSP上,最后存儲于記錄媒體中。這其中,CCD起了非常重要的作用。CCD是數碼相機的核心部件,也是其中最昂貴的部件,因為CCD的成本決定了數碼相機的價格。而光敏器件中CCD元件的數量,決定了數碼相機的關鍵性能--分辨率。不同品牌的數碼相機在技術上存在許多差異,如索尼、富士、奧林巴斯等均有不同的表現。 
  高清晰的數碼相機,不斷需要CCD有更多并且更小的像素點。鑒于此,索尼已開發1/2英寸光學系統的隔行CCD,以期達到業界最高水準的性能。同時用戶也對CCD的分辨率、感光度(ISO)、信噪比等提出了更高的要求。正是在這種環境下,富士膠片公司推出了其獨自研發的新型CCD--"超級"CCD。 
  從70年代發明了CCD到現今,隨著技術的發展,CCD已經由最初的隔行掃描,分辨率低,圖像精度不高,發展到現在的逐行掃描,分辨率達到1200dpi,甚至可以達到3000 dpi。而且,色彩還原日漸豐富,圖像精度不斷提高。應用CCD技術的相關產品也在快速發展。現在,大部分影像產品都采用CCD技術,這也從側面反映它在日漸完善和成熟。 
CCD技術的新發展——超級CCD技術 
  原則上,CCD精度越高,拍攝精度越高。同時它也是劃分數碼相機檔次的核心標準。傳統的CCD技術采用矩形光敏器件橫豎規則排列的方式,在保持一定靈敏度和信噪比的前提下,如果要提高分辨率只能再增加CCD的面積,將造成數碼相機制造成本的急劇上升。于是富士公司便開始在CCD的技術上下功夫。 
  富士的工程師發現,在我們的眼睛里,光線通過角膜和晶狀體在視網膜上形成影像,影像被轉化為神經信號后,經視神經傳送到大腦。當大腦識別了這些信息,我們就稱之為視覺。數碼相機的光學系統與人眼的結構十分相似,鏡頭的作用就像眼球,CCD就像視網膜,而LSI信號處理器起著大腦的作用。受此啟發,研究人員對人眼視網膜的空間解像力特性進行了反復研究,最終產生了超級CCD技術。我們來看看超級CCD技術的特點。 
  提高了感光度、信噪比和動態范圍 傳統CCD里的每個像素都是由一個光電二極管、一個控制信號通路和一個電荷傳輸通路組成。由于光電二極管是矩形的,其尺寸受到限制。制造商們盡管不斷地增加像素以提高影像質量,同時縮小了像素和光電二極管面積,但光吸收的低效率成為提高感光度、信噪比和動態范圍的另一個障礙,每個光電二極管都是矩形,而其上面的微透鏡則是圓形的———不同的形狀必然會降低光吸收效率。 
  超級CCD采用了一個較好的解決方法:它的像素都按45°角排列以形成一個蜂窩的圖形。控制信號通路被取消了,為光電二極管留出更多的空間。光電二極管是八角形的,非常接近微透鏡的圓形,因此可以更有效地吸收光。超級CCD把無助于影像記錄的空間減少到最低限度,集光效率大大提高,感光度和信噪比也得到提高,動態范圍得以擴大。 
  水平和垂直分辨率得到提高 對人類視覺的全面研究表明,圖像信息的空間頻率功率都聚集在水平和垂直軸上,最低的功率在45°對角線上,這個效應是由地心引力以及其他因素造成的。這與影像傳感器的最終效果有著明確的關系———水平軸和垂直軸上是提高分辨率的關鍵,而對角線上高頻特性的損失對影像質量幾乎沒有影響。 
  這就是超級CCD的設計思想——把處于45°角的像素以蜂窩形式排列。除提高封裝密度外,還提高了水平及垂直分辨率,因此它更符合人類視覺的特點。另一個重要因素是有一個專為蜂窩形結構開發的LSI信號處理器。超級CCD和新的信號處理器一起工作,把有效分辨率在原先的水平上提高60%。這就是說只有190萬像素的超級CCD,其性能就相當于有300萬像素的普通CCD。 
  水平跳躍讀出  雖然跳躍讀出像素會大大降低視頻圖像質量,但由于豎直線條讀出速度太慢,傳統CCD還必須在視頻輸出時采用跳躍讀出方式。而且傳統CCD水平方向的像素中只有兩種顏色,必須讀出兩行數據才能形成彩色。超級CCD每行像素中則包含RGB三種顏色,除了以1/2或其他比率進行垂直跳躍讀出外,還可以進行水平1/3跳躍讀出,可以獲得高質量的30幀/秒視頻輸出。 
  簡單的電子快門 傳統CCD中,為了防止相鄰像素間的電荷混淆,需要三層聚合物涂層來分隔每個像素單元,這種復雜的結構制造起來會很困難。因此,通常都是用機械快門來代替分隔結構,分兩次讀出像素的數據。而超級CCD的電荷通道更加寬闊,能夠高速傳輸數據,因此所有像素的數據可以一次讀出,只要簡單的電子快門就夠了。它具有進行快速精確連續拍攝的潛能。 
  我們可以通過下面列舉的數據來證明超級CCD技術在數字影像技術方面的發展:分辨率,與新的LSI信號處理器一起工作,超級CCD的有效分辨率比普通CCD高60%;感光度、信噪比、動態范圍,加大的光電二極管和效率更高的光吸收性能,使這些指標在300萬像素時提高了130%,而且高光部分層次更加豐富;彩色還原,由于信噪比提高,并且有了專為蜂窩結構設計的LSI信號處理器,彩色還原能力提高了50%。 
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