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1、浅谈数码感光元件的区别摘要本人非光学领域的专业从业者，仅仅是从我所见到的部分现象与所能看 到的部分文章和资料，加以总结，并且得出木文的最终结论的。如有纽;漏， 还望斧正。CCD和CMOS是图像传感器，当光线穿过人眼在视网膜上形成影像，背 神经传递到大脑后，大脑会识别这些信息。这就是视觉成像的过程。CCD和 CMOS就类似人的眼睛的视网膜一样。CCD和CMOS决定着图像质量的好坏。 所以CCD和CMOS是数码相机的重要部件之一。关键词CCD CMOS 超级 CCD Foveon X3 背照式 CMOS一、感光元器件基本原理：1 CCD （Charge-coupled Device）中文全称：“屯
2、荷耦合元件”。CCD 植入的微小光嫩物质称作像素。一块CCI）上包含的像素数越多，其提 供的闹而分辨率也就越高。其作用就像胶片一样，但它是把图像像素转换 成数字信号CCD上有许多排列整齐的电容，能感应光线，并将影像转变成 数字信号。经由外部电路的控制，每个小电容能将其所带的电荷转给它相 邻的电容。CCD和传统底片相比，CCD更接近于人眼对视觉的工作方式。只 不过，人眼的视网膜是由负责光强度感应的杆细胞和色彩感应的锥细胞， 分工合作组成视觉感应。CCD经过长达35年的发展，大致的形状和运作方 式都己经定型。CCD的组成主要是由一个类似马赛克的网格、聚光镜片以 及垫于最底下的电子线路矩阵所组成。2
3、、CMOS （Complementary Metal-Oxide Semiconductor）中文全称互 补性氧化金屈半导体”。CMOS的制造技术和一般计算机芯片没什么差别， 主要利用硅和错这两种元素所做成的半导体，使其在CMOS上共存着带N（带 -电）和P （带+电）级的半导体，这两个互补效应所产生的电流即可被处 理芯片纪录和解读成影像。3、超级CCD富士公司独家推出的SUPER CCD, SUPER CCD并没冇采用 常规正方形二极管，而是使用了一种八边形的二极管，像素是以蜂窝状形 式排列，并R单位像素的而积要比传统的CCD大。4、Foveon x3这是一种用单像素提供三原色的CMOS图像
4、感光器技术。 与传统的单像素提供单原色的CCD/CMOS感光器技术不同，X3技术的感光器与银盐彩色胶片相似，由三层感光元素垂直叠在一起。同等像素的X3图像 感光器比传统CCD锐利两倍，提供更丰富的彩色还原度以及避免采用Bayer Pattern传统感光器所特有的色彩干扰。另外，由于每个像素提供完整的三 原色信息，把色彩信号组合成图像文件的过程简单很多，降低了对图像处 理的计算要求。采用CMOS半导体工艺的X3图像感光器耗电比传统CCI）小。5、SONY背照式CMOS技术2008年6月，索尼公司发布了背照式CMOS,称为Exmor R,并首先用在数 款DV产品上。背照式CMOS影像从此开始快速发
5、展，至今已有多个芯片厂 商发布了该类型的产品，越來越多数码影像设备采用了此技术！芯片上的镜片传统结构（正照）背照式结构颜色滤镜金属电路 赵面dodeCotor成像二极管微透镜Color Mr颜色滤镜Anrtrconoecfs金属接合物Incident Uqh1On chip lerw Color filterBack aideSi vubitrete层背照式CMOS传感器的貝体结构如上图所示（源门索尼资料，其他芯片 厂家的产品可能在细节上冇不同，但大体意思是相同的），橙色的为光线路, 黄色线为受光面。左边的传统式，明显看到光线通过微透镜后还需要经过 电路层才能到达受光面，中途光线必然会遭到部分
6、损失（包括被阻描或被减 弱）。背照式CMOS传感器的元件则不同，在改变了结构后，光线通过微透 镜后就可以直接到达感光层的背面，完成光电反应，从进光量上改善了感 光过程。并月.在对比装备了背照式CMOS传感器的相机和英他ccd与传统 emos相机的各档位ISO画质，大体的结论是在低ISO的时候，两者和差不 大，但在高ISO吋候的确有一定的提升。另外值得提及的一点就是，装备了背照式CMOS传感器的相机在低光环 境的对焦能力大大加强，这是一个非常重要的提升。二、感光元器件的优缺点1、CCD的数码单反，图像饱和度较高，图像较为锐利，质感更加真实。 尤其是在低感光度下，成像冇良好的表现。但是，从目前数码
7、单反的表现 來看，CCD的噪点随着感光度的升高而增加较快，高感光度下的噪点控制并 不是CCD传感器的强项。也就是说，CCD传感器的优势表现在低感光度下， 这时候能充分发挥CCD传感器的优势，比如色彩鲜艳，图像质感鲜活等等。 CCD的另一个特点是,它的表面更容易形成静电场，所以比更容易吸附灰尘。2、CMOS的特性在某些程度上跟CCD完全相反。CMOS传感器在低感光 度下的成像也非常干净，但是，采用CMOS传感器的数码单反成像看上去偏 灰，色彩饱和度较低，质感和锐度的表现也要稍逊一筹。但是，目前大多 数CMOS具备硕件降噪机制，所以噪点随着感光度的升高增加较慢。所以， 在高感光度下，CMOS传感器
8、表现反而好过CCD传感器。CMOS的另一个优点 是数据读取速度快。另外，CMOS相对CCD的功耗较低，除了省电以外，也 相对较不容易吸附灰尘。3、超级CCD将像索旋转45度排列的结果是可以缩小对图像拍摄无用 的多余空间，光线集中的效率比较高，效率增加Z后使感光性、信噪比和 动态范围都冇所捉高。左为传统CCD （呈矩阵排列），右为超级CCD （呈蜂窝状排列）4、传统CCD中的每个像素由一个二极管、控制信号路径和电量传输路 径组成。SUPER CCD釆用蜂窝状的八边二极管，原冇的控制信号路径被取消 T,只需要一个方向的电量传输路径即可，感光二极管就有更多的空间。 SUPER CCD在排列结构上比普
9、通CCD要紧密。此外像素的利用率较高，也 就是说在同一尺寸下，SUPER CCD的感光二极管对光线的吸收程度也比较 高，使感光度、信噪比和动态范围都有所提高。那为什么SUPER CCD的输出像素会比有效像素高呢？我们知道CCD对 绿色不很敏感，因此是以G-B-R-G来合成。各个合成的像素点实际上有 一部分真实像索点是共用，因此图象质量与理想状态冇一定差距。这就是 为什么一些高端专业级数码相机使用3CCD分别感受RGB三色光的原因。而 SUPER CCD通过改变像素之间的排列关系，做到了 R、G、B像素相当，在 合成像素吋也是以三个为一组。因此传统CCD是四个合成-个像素点，其 实只要三个就行了
10、，浪费了一个，而SUPER CCD就发现了这一点，只用三 个就能合成一个像素点。也就是说，CCD每4个点合成一个像素，每个点计 算4次；SLPER CCD每3个点合成一个像素，每个点也是计算4次，因此 SUPER CCD像素的利用率较传统CCD高，生成的像素就多了。5、X3技术的感光器与银盐彩色胶片相似，由三层感光元素垂直叠在一 起。同等像索的X3图像感光器比传统CCD锐利两倍，提供更丰富的彩色还 原度以及避免采用Bayer Pattern传统感光器所特冇的色彩干扰。另外， 由于每个像素提供完整的三原色信息，把色彩信号组合成图像文件的过程 简单很多，降低了对图像处理的计算要求。采用CMOS半导
11、体工艺的X3图 像感光器耗电比传统CCD小。X3技术的另一个特点是虚拟像素尺寸-VPS(Virtual Pixel Size)。它可以把邻近的像素信号组合成一个像素，如 2x2或者4x4,从而增加信噪比。这可以应用于提高感光度同时保持低噪音。 此外使用VPS减低像素还可以加快从感光器提取信号的速度，这对于摄像 应用有帮助。6、传统的CMOS传感器每个像素点都要搭配一个对应的A/D转换器， 及对应的放大电路，因此，这部分电路会占用更多的像素面积，直接导致 光电二极管实际感光的面积变小，感光能力变弱。CCD的单个像素点不需要 A/D转换器和放大电路，光电二极管能获得更大的实际感光面积，开口率更 大
12、，因此在小尺寸影像传感器领域，目前CCD仍占据一定优势，而在大尺 寸影像传感器领域，由于单个像素点的面积大，A/D转换器和放大电路占用 的面积只是整个像素的很小一部分，影响不大，因此CMOS传感器也得到了 广泛的应用。而Exmor R CMOS将光电二极管“放置”在了影像传感器芯片的最上层, 把A/D转换器及放大电路挪到了影像传感器芯片的“背面”，而不是像传 统CMOS传感器一样，A/D转换器和放大电路位于光电二极管的上层，“挡 住了” 一部分光线。这样一來，通过微透镜和色彩滤镜进來的光线就可以 最大限度地被光电二极管利用，开口率得以大幅度提高，即便是小尺寸的 影像传感器，也能获得优良的高感光
13、度能力。和比较Z下，传统的表面照 射型CMOS传感器的光电二极管位于整个芯片的最下层，而A/D转换器和放 大电路位于光电二极管上层，因此光电二极管离透镜的距离更远，光线更 容易损失。同时，这些线路连接层还会阻塞从色彩滤镜到达光电二极管的 光路，因此直接导致实际能够感光更少。而Exmor R背照式CMOS传感器解 决了这样的问题。三、CCD和CMOS的区别其实：CCD是只是一个泛称，即电荷耦合元件(Charged-Coupled Dcvicc)o我们通常所说的CCD是指的使用TTL加工工艺的CCD,而CMOS 是使用CMOS加工工艺的CCD。在光电传换(由爱因斯坦在1921年捉岀)获取图像的原理
14、上并无不同在拾取信号的时候，CCD同时读取所有信息，CMOS是按行滚动读取的, ROLLING EFFECT就是由这种滚动读取的特点所造成的。TTL是低阻器件，抗干扰特性好，屯流控制，所以电流大，耗电多，发 热也严重，因此高感光度的噪声会非常多；Ifij CMOS是高阻器件，电压控制，易被干扰，不过电流小，很省电；TTL类似二极管，而CMOS类似场效应管。TTL的运行速度比CMOS快， 因为比CMOS发明的更早，技术积累上CCD要更深一些；在CMOS技术不完备的情况下，以前的CCD在画质上比CMOS好很多，所 以那时候舆论普遍认为CCD有更好的影像质量。四、结论1969年由美国贝尔实验室开发的
15、CCD技术在诞生初期不被重视，20 世纪80年代后期逐渐成熟，20世纪90年代之后得到了迅猛发展，CCD 的单位面积也呈现出小型化的趋势。CCD技术经过近40年的不断发展， 现在已经达到非常成熟的阶段。由于CCD感光元件采用单一的通道，因此 光效率比较低，而口传输电荷信号需要电压的支持，因此耗电量大，但是 单一的通道有利于在信号传输过程中减少电荷放大吋的噪声。CCD和CMOS采用类似的色彩还原原理，但是CMOS传感器信噪比差， 皱感度不够的缺点使得目前CCD技术占据了数码摄影大半壁江山。不过 CMOS技术也冇CCD难以比拟的优势，普通CCD必须使用3个以上的电源电 压，而CMOS在单一电源下就
16、可以运作，因而CMOS耗电量更小。与CCD产品相比，CMOS是标准工艺制程，可利用现有的半导体制造流 水线，不需额外投资设备，11品质可随半导体技术的提升而进步，CMOS传 感器的最大优势是售价比CCD便宜近1/3。同时，全球晶I员I厂的CMOS生产 线较多，H后量产时也有利丁成本的降低。另外，CMOS传感器的最大优势, 是它具有高度系统整合的条件。理论上，所有图像传感器所需的功能，例 如垂直位移、水平位移暂存器、时序控制、CDS、ADC等，都可放在集成 在一颗晶片上，甚至于所冇的晶片包括后端晶片(Back-end Chip)、快闪 记忆体(Flash RAM)等也可整合成单晶片(SYSTEM-ON-CIIIP),以达到降 低整机生产成本的目的。相信未来CMOS传感器会冇更大的发展，在数码影 像行业占有更高的份额。专业论
