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CCD的英文全稱是“Charge-coupledDevice”,中文全稱是電行耦合元件,通常稱為CCD圖像傳感器。CCD是一種半導(dǎo)體器件,能夠把光學(xué)影像轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào),CCD上植入的微小光敏物質(zhì)稱作像素(Pixel),一塊CCO上包含的像素?cái)?shù)越多,其提供的畫面分辨率也就越高。CCD作用就像膠片一樣,但它是把圖像像素轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào),CCD上有許多排列整齊的電容,能感應(yīng)光線,并將影像轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)。經(jīng)由外部電路的控制,每個(gè)小電容能將其所帶的電行轉(zhuǎn)給它相鄰的電容。
CCD圖像傳感器可直接將光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬電流信號(hào),電流信號(hào)經(jīng)過放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換,實(shí)現(xiàn)圖像的獲取.存儲(chǔ)、傳輸.處理和重現(xiàn),如上圖所示,CCO圖像傳感器具有如下特點(diǎn):
(1)體積小重量輕
(2)功耗小,工作電壓低;抗沖擊與震動(dòng),性能穩(wěn)定,壽命長(zhǎng)
(3)靈敏度高,噪聲低,動(dòng)態(tài)范圍大
(4)響應(yīng)速度快,有自掃描功能,圖像畸變小,無殘像
(5)應(yīng)用超大規(guī)模集成電路工藝技術(shù)生產(chǎn),像素集成度高,尺寸精確,商品化生產(chǎn)成本低。
CMOS(CompementaryMetalOxideSemiconductor)指互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體,是電壓控制的一種放大器件,是組成CMOS數(shù)字集成電路的基本單元。在數(shù)字影像領(lǐng)域,CMOS作為一種低成本的感光元件技術(shù)被發(fā)展出來,市面上常見的數(shù)碼產(chǎn)品,其感光元件主要就是CCD或者CMOS,尤其是低端攝像頭產(chǎn)品,而通常高端攝像頭都是CCD感光元件。
CMOS制造工藝被應(yīng)用于制作數(shù)碼影像器材的感光元件,是將純粹邏輯運(yùn)算的功能轉(zhuǎn)變成接收外界光線后轉(zhuǎn)化為電能,再造過芯片上的模一數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)將獲得的影像訊號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)輸出。CMOS與CCD主要有以下不同:
(1)成像過程中產(chǎn)生的噪聲高
(2)集成性高
(3)讀出速度快,地址選通開關(guān)可隨機(jī)采樣,獲得更高的速度
(4)噪聲:由于CMOS圖像傳感器集成度高,各元件、電路之間距離很近,干擾比較嚴(yán)重,噪聲對(duì)圖像質(zhì)量影響很大。隨著CMOS電路消噪技術(shù)的不斷發(fā)展,為生產(chǎn)高密度優(yōu)質(zhì)的CMOS圖像傳感器提供了良好的條件。
1)信息讀取方式
CCD電荷耦合器存儲(chǔ)的電荷信息,需在同步信號(hào)控制下一位一位地實(shí)施轉(zhuǎn)移后讀取,電荷信息轉(zhuǎn)移和讀取輸出需要有時(shí)鐘控制電路和三組不同的電源相配合,整個(gè)電路較為復(fù)雜。CMOS光電傳感器經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后直接產(chǎn)生電流(或電壓)信號(hào),信號(hào)讀取十分簡(jiǎn)單。
2)速度
CCD電荷耦合器需在同步時(shí)鐘的控制下,以行為單位一位一位地輸出信息,速度較慢;而CMOS光電傳感器采集光信號(hào)的同時(shí)就可以取出電信號(hào),還能同時(shí)處理各單元的圖像信息,速度比CCD電荷耦合器快很多。
3)電源及耗電量
CCD電荷耦合器大多需要三組電源供電,耗電量較大;CMOS光電傳感器只需使用一個(gè)電源,耗電量非常小,僅為CCD電荷耦合器的1/8到1/10,CMOS光電傳感器在節(jié)能方面具有很大優(yōu)勢(shì)。
4)成像質(zhì)量
CCD電荷耦合器制作技術(shù)起步早,技術(shù)成熟,采用PN結(jié)或二氧化硅(SiO2)隔離層隔離噪聲,成像質(zhì)量相對(duì)CMOS光電傳感器有一定優(yōu)勢(shì)。由于CMOS光電傳感器集成度高,各光電傳感元件、電路之間距離很近,相互之間的光、電、磁干擾較嚴(yán)重,噪聲對(duì)圖像質(zhì)量影響很大,使CMOS光電傳感器很長(zhǎng)一段時(shí)間無法進(jìn)入實(shí)用。近年,隨著CMOS電路消噪技術(shù)的不斷發(fā)展,為生產(chǎn)高密度優(yōu)質(zhì)的CMOS圖像傳感器提供了良好的條件。
1.內(nèi)部結(jié)構(gòu)(傳感器本身的結(jié)構(gòu))
CCD的成像點(diǎn)為X-Y縱橫矩陣排列,每個(gè)成像點(diǎn)由一個(gè)光電二極管和其控制的一個(gè)鄰近電荷存儲(chǔ)區(qū)組成。光電二極管將光線(光量子)轉(zhuǎn)換為電荷(電子),聚集的電子數(shù)量與光線的強(qiáng)度成正比。在讀取這些電荷時(shí),各行數(shù)據(jù)被移動(dòng)到垂直電荷傳輸方向的緩存器中。每行的電荷信息被連續(xù)讀出,再通過電荷/電壓轉(zhuǎn)換器和放大器傳感。這種構(gòu)造產(chǎn)生的圖像具有低噪音、高性能的特點(diǎn)。但是生產(chǎn)CCD需采用時(shí)鐘信號(hào)、偏壓技術(shù),因此整個(gè)構(gòu)造復(fù)雜,增大了耗電量,也增加了成本。
CMOS傳感器周圍的電子器件,如數(shù)字邏輯電路、時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器以及模/數(shù)轉(zhuǎn)換器等,可在同一加工程序中得以集成。CMOS傳感器的構(gòu)造如同一個(gè)存儲(chǔ)器,每個(gè)成像點(diǎn)包含一個(gè)光電二極管、一個(gè)電荷/電壓轉(zhuǎn)換單元、一個(gè)重新設(shè)置和選擇晶體管,以及一個(gè)放大器,覆蓋在整個(gè)傳感器上的是金屬互連器(計(jì)時(shí)應(yīng)用和讀取信號(hào))以及縱向排列的輸出信號(hào)互連器,它可以通過簡(jiǎn)單的X-Y尋址技術(shù)讀取信號(hào)。
2.外部結(jié)構(gòu)(傳感器在產(chǎn)品上的應(yīng)用結(jié)構(gòu))
CCD電荷耦合器需在同步時(shí)鐘的控制下,以行為單位一位一位地輸出信息,速度較慢;而CMOS光電傳感器采集光信號(hào)的同時(shí)就可以取出電信號(hào),還能同時(shí)處理各單元的圖像信息,速度比CCD電荷耦合器快很多。
CMOS光電傳感器的加工采用半導(dǎo)體廠家生產(chǎn)集成電路的流程,可以將數(shù)字相機(jī)的所有部件集成到一塊芯片上,如光敏元件、圖像信號(hào)放大器、信號(hào)讀取電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、圖像信號(hào)處理器及控制器等,都可集成到一塊芯片上,還具有附加DRAM的優(yōu)點(diǎn)。只需要一個(gè)芯片就可以實(shí)現(xiàn)很多功能,因此采用CMOS芯片的光電圖像轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的整體成本很低。
CCD和CMOS在制造上的主要區(qū)別是CCD是集成在半導(dǎo)體單晶材料上,而CMOS是集成在被稱做金屬氧化物的半導(dǎo)體材料上,工作原理沒有本質(zhì)的區(qū)別。CCD只有少數(shù)幾個(gè)廠商例如索尼、松下等掌握這種技術(shù)。而且CCD制造工藝較復(fù)雜,采用CCD的攝像頭價(jià)格都會(huì)相對(duì)比較貴。事實(shí)上經(jīng)過技術(shù)改造,目前CCD和CMOS的實(shí)際效果的差距已經(jīng)減小了不少。而且CMOS的制造成本和功耗都要低于CCD不少,所以很多攝像頭生產(chǎn)廠商采用的CMOS感光元件。成像方面:在相同像素下CCD的成像通透性、明銳度都很好,色彩還原、曝光可以保證基本準(zhǔn)確。而CMOS的產(chǎn)品往往通透性一般,對(duì)實(shí)物的色彩還原能力偏弱,曝光也都不太好,由于自身物理特性的原因,CMOS的成像質(zhì)量和CCD還是有一定距離的。但由于低廉的價(jià)格以及高度的整合性,因此在攝像頭領(lǐng)域還是得到了廣泛的應(yīng)用。
CMOS結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單,與現(xiàn)有的大規(guī)模集成電路生產(chǎn)工藝相同,從而生產(chǎn)成本可以降低。從原理上,CMOS的信號(hào)是以點(diǎn)為單位的電荷信號(hào),而CCD是以行為單位的電流信號(hào),前者更為敏感,速度也更快,更為省電?,F(xiàn)在高級(jí)的CMOS并不比一般CCD差,但是CMOS工藝還不是十分成熟,普通的 CMOS 一般分辨率低而成像較差。
目前的情況是,許多低檔入門型的數(shù)碼相機(jī)使用廉價(jià)的低檔CMOS芯片,成像質(zhì)量比較差。普及型、高級(jí)型及專業(yè)型數(shù)碼相機(jī)使用不同檔次的CCD,個(gè)別專業(yè)型或準(zhǔn)專業(yè)型數(shù)碼相機(jī)使用高級(jí)的CMOS芯片。代表成像技術(shù)未來發(fā)展的X3芯片實(shí)際也是一種CMOS芯片。CCD與CMOS孰優(yōu)孰劣不能一概而論,但一般而言,普及型的數(shù)碼相機(jī)中使用CCD芯片的成像質(zhì)量要好一些。
由兩種感光器件的工作原理可以看出,CCD(電荷藕合器件圖像傳感器:Charge Coupled Device),它的優(yōu)勢(shì)在于成像質(zhì)量好,但是由于制造工藝復(fù)雜,只有少數(shù)的廠商能夠掌握,所以導(dǎo)致制造成本居高不下,特別是大型CCD,價(jià)格非常高昂。 在相同分辨率下,CMOS(互補(bǔ)性氧化金屬半導(dǎo)體:Complementary Metal-Oxide Semiconductor)價(jià)格比CCD便宜,但是CMOS器件產(chǎn)生的圖像質(zhì)量相比CCD來說要低一些。到目前為止,市面上絕大多數(shù)的消費(fèi)級(jí)別以及高端數(shù)碼相機(jī)都使用CCD作為感應(yīng)器;CMOS感應(yīng)器則作為低端產(chǎn)品應(yīng)用于一些攝像頭上,若有哪家攝像頭廠商生產(chǎn)的攝像頭使用CCD感應(yīng)器,廠商一定會(huì)不遺余力地以其作為賣點(diǎn)大肆宣傳,甚至冠以“數(shù)碼相機(jī)”之名。一時(shí)間,是否具有CCD感應(yīng)器變成了人們判斷數(shù)碼相機(jī)檔次的標(biāo)準(zhǔn)之一。
CMOS針對(duì)CCD最主要的優(yōu)勢(shì)就是非常省電,不像由二極管組成的CCD,CMOS 電路幾乎沒有靜態(tài)電量消耗,只有在電路接通時(shí)才有電量的消耗。這就使得CMOS的耗電量只有普通CCD的1/3左右,這有助于改善人們心目中數(shù)碼相機(jī)是"電老虎"的不良印象。CMOS主要問題是在處理快速變化的影像時(shí),由于電流變化過于頻繁而過熱。暗電流抑制得好就問題不大,如果抑制得不好就十分容易出現(xiàn)雜點(diǎn)。
此外,CMOS與CCD的圖像數(shù)據(jù)掃描方法有很大的差別。例如,如果分辨率為300萬像素,那么CCD傳感器可連續(xù)掃描300萬個(gè)電荷,掃描的方法非常簡(jiǎn)單,就好像把水桶從一個(gè)人傳給另一個(gè)人,并且只有在最后一個(gè)數(shù)據(jù)掃描完成之后才能將信號(hào)放大。CMOS傳感器的每個(gè)像素都有一個(gè)將電荷轉(zhuǎn)化為電子信號(hào)的放大器。因此,CMOS傳感器可以在每個(gè)像素基礎(chǔ)上進(jìn)行信號(hào)放大,采用這種方法可節(jié)省任何無效的傳輸操作,所以只需少量能量消耗就可以進(jìn)行快速數(shù)據(jù)掃描,同時(shí)噪音也有所降低。這就是佳能的像素內(nèi)電荷完全轉(zhuǎn)送技術(shù)。