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CCD技术与CMOS技术的概念与区别
点击次数: 发布时间:【2016-11-10】
CCD(The Charged Coupled Device即电荷耦合器件)是最常用的感光器件,被广泛应用于扫描仪、数码相机、数码摄像机等产品。CCD器件通过光电效应收集电荷,每行像素的电荷随时钟信号被送到模拟移位寄存器上,然后串行转换为电压。大多数硅片面积用于光线的收集,光线收集得越多释放的电荷越多。在设计中,CCD器件要有极高的信噪比、感光灵敏度和良好的动态范围。要实现这一目标,需要专门处理器、高电压、多重电源和偏置以及像素点的紧密排列,以构成高分辨率的阵列。CCD生产过程复杂、产量低、成品率底,导致了高成本,因此CCD器件十分昂贵。 
  CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor,即互补金属氧化物半导体)器件是一种可大规模生产的集成电路,具有成品率高、价格低等特点,相对于CCD而言,CMOS器件技术有一些明显的特点: 
1、集成度高 
  CMOS器件几乎可以将相机所需的全部捕获功能集成到一块芯片上, 因为CMOS器件成像元件尺寸更小,可以有更多地方放置电路,它甚至可以将模数转换控制芯片集成在一起,图像数据不必在迷宫般的电路中被传来送去,因此极大地提高了捕获速度。而且CMOS器件更加省电,其功耗仅相当于CCD的1/8。 
  2、有价格优廉 
  CMOS器件结构简单,从而成品率高,制造成本低。这样CMOS器件价格上就比CCD有了优势。当前只有索尼、富士等五家大公司能生产CCD。但是,对于CMOS器件,任何有0.35微米技术的企业都可生产,竞争将使价格下降。目前30万像素的CMOS传感器已降到20美元左右,比CCD便宜,而在百万级像素市场上,价格也将很快会降下来。 
  3、相对的缺点 
  相对于CCD器件来说,CMOS器件也有它的缺点,对光线的灵敏度不好,信噪比也很低,这导致了其在成像质量上难以与CCD抗衡。但新的CMOS器件不断推陈出新,高动态范围CMOS器件已经出现,这一技术消除了对快门、光圈、自动增益控制及伽玛校正的需要,还有的技术在每一像素上放一个ADC,降低了噪声。主动像素传感器(APS)技术提高了信噪比和影像效率,并接近了CCD的成像质量。当然,CMOS器件目前还不能在高端数码相机上与CCD竞争。但是在消费级数码相机市场上,CMOS器件已经开始成熟,并且将在未来数年内成为数码相机低端市场的主导技术。 
CCD技术:保证影像杰出 
  CCD(Charge Coupled Device)--电荷耦合器件,是由美国贝尔实验室于1969年发明的。和PMT(Photo Multiplier Tube)--光学倍增管一样,它们都是很成功的电子影像感应器,又称为光学感应器。CCD与PMT现已广泛应用在诸多科学产品上,如传真机、 扫描仪、天文望远镜等。而CCD则更多地应用于数码相机、摄像机等一些小型化的产品上。传统CCD的工作原理就像一台复印机,利用高亮度的光源,将稿件依次经过反射镜、投射镜和分光镜,反射在CCD元件上。CCD的结构可以形象比喻为一个正在旋转的巨大的走马灯,灯上并排排列着许多窗口,按照一定的顺序,测量某一时间段内从每个窗口进入的光。早期的CCD基本上是隔行扫描的,所以图像精度不高。现在一般都是逐行扫描,从而保证了较高的分辨率。CCD体积虽只有硬币大小,却非常耐用。 
  采用CCD技术的传感器总体分为两大类,分别是通用型CCD传感器和特殊型CCD传感器。 
  硅片与专业大尺寸CCD传感器组件   通用型CCD传感器,在CCD摄像机方面有了较大的发展。最初CCD摄像机的工作电压,有+24V、+22V、+12V和+5V等多种。随着计算机和网络技术的高速发展,为与PC摄像机和网络图形传输相配合,现在一般分为+12V与+5V两种工作电压,其中通用工作电压为+12V。为了降低CCD摄像机的成本,并且提高质量,现在许多生产厂家都在致力于CCD摄像机的小型化和数字化。多层板多芯片集成模块化的制造技术,实现了CCD摄像机的小型化。而DSP数字化处理替代模拟系统的实现,也使CCD摄像机的数字化成为现实。同时CCD摄像机的产品也日趋多样化,如家庭摄录一体机、电视电话、扫描仪、PDA、数码单反相机(DSC)等都在逐渐为人们所熟知。特殊型CCD传感器的主要产品有电子轰击式CCD和EBCD等。 
  CCD应用:保证性能稳定 
  伴随着计算机的广泛普及,PC摄像头作为计算机的图像输入系统,也在飞速进入各个家庭。而且借助网络,也能实现视频及音频的同步通讯。 
  扫描仪技术的迅猛发展,使得扫描仪的性能日趋优化,但价格却越来越低,使扫描仪真正进入了寻常百姓的家庭。越来越多的用户在购买计算机的时候,将扫描仪作为标准配置。扫描仪的广泛使用,提高了各种资料和图表的输入速度,通过互联网也实现了资料的共享。 

  数码单反相机作为近年来发展起来的新产品, 是一种新型图像捕捉设备。数码相机使用CCD光敏器件代替胶卷感光成像,其原理就是CCD元件的光电效应。在数码相机中,当光线透过镜头传送到CCD后,CCD会将其转换为电子信号,再由A/D转换器变为数字信号,传到DSP上,最后存储于记录媒体中。这其中,CCD起了非常重要的作用。CCD是数码相机的核心部件,也是其中最昂贵的部件,因为CCD的成本决定了数码相机的价格。而光敏器件中CCD元件的数量,决定了数码相机的关键性能--分辨率。不同品牌的数码相机在技术上存在许多差异,如索尼、富士、奥林巴斯等均有不同的表现。 
  高清晰的数码相机,不断需要CCD有更多并且更小的像素点。鉴于此,索尼已开发1/2英寸光学系统的隔行CCD,以期达到业界最高水准的性能。同时用户也对CCD的分辨率、感光度(ISO)、信噪比等提出了更高的要求。正是在这种环境下,富士胶片公司推出了其独自研发的新型CCD--"超级"CCD。 
  从70年代发明了CCD到现今,随着技术的发展,CCD已经由最初的隔行扫描,分辨率低,图像精度不高,发展到现在的逐行扫描,分辨率达到1200dpi,甚至可以达到3000 dpi。而且,色彩还原日渐丰富,图像精度不断提高。应用CCD技术的相关产品也在快速发展。现在,大部分影像产品都采用CCD技术,这也从侧面反映它在日渐完善和成熟。 
CCD技术的新发展——超级CCD技术 
  原则上,CCD精度越高,拍摄精度越高。同时它也是划分数码相机档次的核心标准。传统的CCD技术采用矩形光敏器件横竖规则排列的方式,在保持一定灵敏度和信噪比的前提下,如果要提高分辨率只能再增加CCD的面积,将造成数码相机制造成本的急剧上升。于是富士公司便开始在CCD的技术上下功夫。 
  富士的工程师发现,在我们的眼睛里,光线通过角膜和晶状体在视网膜上形成影像,影像被转化为神经信号后,经视神经传送到大脑。当大脑识别了这些信息,我们就称之为视觉。数码相机的光学系统与人眼的结构十分相似,镜头的作用就像眼球,CCD就像视网膜,而LSI信号处理器起着大脑的作用。受此启发,研究人员对人眼视网膜的空间解像力特性进行了反复研究,最终产生了超级CCD技术。我们来看看超级CCD技术的特点。 
  提高了感光度、信噪比和动态范围 传统CCD里的每个像素都是由一个光电二极管、一个控制信号通路和一个电荷传输通路组成。由于光电二极管是矩形的,其尺寸受到限制。制造商们尽管不断地增加像素以提高影像质量,同时缩小了像素和光电二极管面积,但光吸收的低效率成为提高感光度、信噪比和动态范围的另一个障碍,每个光电二极管都是矩形,而其上面的微透镜则是圆形的———不同的形状必然会降低光吸收效率。 
  超级CCD采用了一个较好的解决方法:它的像素都按45°角排列以形成一个蜂窝的图形。控制信号通路被取消了,为光电二极管留出更多的空间。光电二极管是八角形的,非常接近微透镜的圆形,因此可以更有效地吸收光。超级CCD把无助于影像记录的空间减少到最低限度,集光效率大大提高,感光度和信噪比也得到提高,动态范围得以扩大。 
  水平和垂直分辨率得到提高 对人类视觉的全面研究表明,图像信息的空间频率功率都聚集在水平和垂直轴上,最低的功率在45°对角线上,这个效应是由地心引力以及其他因素造成的。这与影像传感器的最终效果有着明确的关系———水平轴和垂直轴上是提高分辨率的关键,而对角线上高频特性的损失对影像质量几乎没有影响。 
  这就是超级CCD的设计思想——把处于45°角的像素以蜂窝形式排列。除提高封装密度外,还提高了水平及垂直分辨率,因此它更符合人类视觉的特点。另一个重要因素是有一个专为蜂窝形结构开发的LSI信号处理器。超级CCD和新的信号处理器一起工作,把有效分辨率在原先的水平上提高60%。这就是说只有190万像素的超级CCD,其性能就相当于有300万像素的普通CCD。 
  水平跳跃读出  虽然跳跃读出像素会大大降低视频图像质量,但由于竖直线条读出速度太慢,传统CCD还必须在视频输出时采用跳跃读出方式。而且传统CCD水平方向的像素中只有两种颜色,必须读出两行数据才能形成彩色。超级CCD每行像素中则包含RGB三种颜色,除了以1/2或其他比率进行垂直跳跃读出外,还可以进行水平1/3跳跃读出,可以获得高质量的30帧/秒视频输出。 
  简单的电子快门 传统CCD中,为了防止相邻像素间的电荷混淆,需要三层聚合物涂层来分隔每个像素单元,这种复杂的结构制造起来会很困难。因此,通常都是用机械快门来代替分隔结构,分两次读出像素的数据。而超级CCD的电荷通道更加宽阔,能够高速传输数据,因此所有像素的数据可以一次读出,只要简单的电子快门就够了。它具有进行快速精确连续拍摄的潜能。 
  我们可以通过下面列举的数据来证明超级CCD技术在数字影像技术方面的发展:分辨率,与新的LSI信号处理器一起工作,超级CCD的有效分辨率比普通CCD高60%;感光度、信噪比、动态范围,加大的光电二极管和效率更高的光吸收性能,使这些指标在300万像素时提高了130%,而且高光部分层次更加丰富;彩色还原,由于信噪比提高,并且有了专为蜂窝结构设计的LSI信号处理器,彩色还原能力提高了50%。 
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