淺談數(shù)碼感光元件的區(qū)別

1、專業(yè)論文 淺談數(shù)碼感光元件的區(qū)別 摘要 本人非光學領域的專業(yè)從業(yè)者，僅僅是從我所見到的部分現(xiàn)象與所能看到的部分文章和資料，加以總結，并且得出本文的最終結論的。如有紕漏，還望斧正。ccd和cmos是圖像傳感器，當光線穿過人眼在視網膜上形成影像，背神經傳遞到大腦后，大腦會識別這些信息。這就是視覺成像的過程。ccd和cmos就類似人的眼睛的視網膜一樣。ccd和cmos決定著圖像質量的好壞。所以ccd和cmos是數(shù)碼相機的重要部件之一。關鍵詞ccd cmos 超級ccd foveon x3 背照式cmos 一、 感光元器件基本原理： 1、 ccd （charge-coupled device）中文全稱

2、：“電荷耦合元件”。ccd上植入的微小光敏物質稱作像素。一塊ccd上包含的像素數(shù)越多，其提供的畫面分辨率也就越高。其作用就像膠片一樣，但它是把圖像像素轉換成數(shù)字信號。ccd上有許多排列整齊的電容，能感應光線，并將影像轉變成數(shù)字信號。經由外部電路的控制，每個小電容能將其所帶的電荷轉給它相鄰的電容。ccd和傳統(tǒng)底片相比，ccd 更接近于人眼對視覺的工作方式。只不過，人眼的視網膜是由負責光強度感應的桿細胞和色彩感應的錐細胞，分工合作組成視覺感應。 ccd經過長達35年的發(fā)展，大致的形狀和運作方式都已經定型。ccd 的組成主要是由一個類似馬賽克的網格、聚光鏡片以及墊于最底下的電子線路矩陣所組成。 2、

3、cmos（complementary metal-oxide semiconductor）中文全稱“互補性氧化金屬半導體”。cmos的制造技術和一般計算機芯片沒什么差別，主要利用硅和鍺這兩種元素所做成的半導體，使其在cmos上共存著帶n（帶電）和 p（帶+電）級的半導體，這兩個互補效應所產生的電流即可被處理芯片紀錄和解讀成影像。 3、超級ccd 富士公司獨家推出的super ccd，super ccd并沒有采用常規(guī)正方形二極管，而是使用了一種八邊形的二極管，像素是以蜂窩狀形式排列，并且單位像素的面積要比傳統(tǒng)的ccd大。4、foveon x3這是一種用單像素提供三原色的cmos圖像感光器技術。與

4、傳統(tǒng)的單像素提供單原色的ccd/cmos感光器技術不同，x3技術的感光器與銀鹽彩色膠片相似，由三層感光元素垂直疊在一起。同等像素的x3圖像感光器比傳統(tǒng)ccd銳利兩倍，提供更豐富的彩色還原度以及避免采用bayer pattern傳統(tǒng)感光器所特有的色彩干擾。另外，由于每個像素提供完整的三原色信息，把色彩信號組合成圖像文件的過程簡單很多，降低了對圖像處理的計算要求。采用cmos半導體工藝的x3圖像感光器耗電比傳統(tǒng)ccd小。 5、sony背照式cmos技術2008年6月，索尼公司發(fā)布了背照式cmos，稱為exmor r，并首先用在數(shù)款dv產品上。背照式cmos影像從此開始快速發(fā)展，至今已有多個芯片廠商

5、發(fā)布了該類型的產品，越來越多數(shù)碼影像設備采用了此技術！ 背照式cmos傳感器的具體結構如上圖所示(源自索尼資料，其他芯片廠家的產品可能在細節(jié)上有不同，但大體意思是相同的)，橙色的為光線路，黃色線為受光面。左邊的傳統(tǒng)式，明顯看到光線通過微透鏡后還需要經過電路層才能到達受光面，中途光線必然會遭到部分損失(包括被阻擋或被減弱)。背照式cmos傳感器的元件則不同，在改變了結構后，光線通過微透鏡后就可以直接到達感光層的背面，完成光電反應，從進光量上改善了感光過程。并且在對比裝備了背照式cmos傳感器的相機和其他ccd與傳統(tǒng)cmos相機的各檔位iso畫質，大體的結論是在低iso的時候，兩者相差不大，但在高

6、iso時候的確有一定的提升。 另外值得提及的一點就是，裝備了背照式cmos傳感器的相機在低光環(huán)境的對焦能力大大加強，這是一個非常重要的提升。二、 感光元器件的優(yōu)缺點 1、ccd的數(shù)碼單反，圖像飽和度較高，圖像較為銳利，質感更加真實。尤其是在低感光度下，成像有良好的表現(xiàn)。但是，從目前數(shù)碼單反的表現(xiàn)來看，ccd的噪點隨著感光度的升高而增加較快，高感光度下的噪點控制并不是ccd傳感器的強項。也就是說，ccd傳感器的優(yōu)勢表現(xiàn)在低感光度下，這時候能充分發(fā)揮ccd傳感器的優(yōu)勢，比如色彩鮮艷，圖像質感鮮活等等。ccd的另一個特點是，它的表面更容易形成靜電場，所以比更容易吸附灰塵。 2、cmos的特性在某些程

7、度上跟ccd完全相反。cmos傳感器在低感光度下的成像也非常干凈，但是，采用cmos傳感器的數(shù)碼單反成像看上去偏灰，色彩飽和度較低，質感和銳度的表現(xiàn)也要稍遜一籌。但是，目前大多數(shù)cmos具備硬件降噪機制，所以噪點隨著感光度的升高增加較慢。所以，在高感光度下，cmos傳感器表現(xiàn)反而好過ccd傳感器。cmos的另一個優(yōu)點是數(shù)據(jù)讀取速度快。另外，cmos相對ccd的功耗較低，除了省電以外，也相對較不容易吸附灰塵。 3、超級ccd將像素旋轉45度排列的結果是可以縮小對圖像拍攝無用的多余空間，光線集中的效率比較高，效率增加之后使感光性、信噪比和動態(tài)范圍都有所提高。左為傳統(tǒng)ccd（呈矩陣排列）,右為超級c

8、cd（呈蜂窩狀排列） 4、傳統(tǒng)ccd中的每個像素由一個二極管、控制信號路徑和電量傳輸路徑組成。super ccd采用蜂窩狀的八邊二極管，原有的控制信號路徑被取消了，只需要一個方向的電量傳輸路徑即可，感光二極管就有更多的空間。superccd在排列結構上比普通ccd要緊密。此外像素的利用率較高，也就是說在同一尺寸下，super ccd的感光二極管對光線的吸收程度也比較高，使感光度、信噪比和動態(tài)范圍都有所提高。那為什么super ccd的輸出像素會比有效像素高呢？我們知道ccd對綠色不很敏感，因此是以gbrg來合成。各個合成的像素點實際上有一部分真實像素點是共用，因此圖象質量與理想狀態(tài)有一定差距。

9、這就是為什么一些高端專業(yè)級數(shù)碼相機使用3ccd分別感受rgb三色光的原因。而superccd通過改變像素之間的排列關系，做到了r、g、b像素相當，在合成像素時也是以三個為一組。因此傳統(tǒng)ccd是四個合成一個像素點，其實只要三個就行了，浪費了一個，而super ccd就發(fā)現(xiàn)了這一點，只用三個就能合成一個像素點。也就是說，ccd每4個點合成一個像素，每個點計算4次；super ccd每3個點合成一個像素，每個點也是計算4次，因此super ccd像素的利用率較傳統(tǒng)ccd高，生成的像素就多了。 5、x3技術的感光器與銀鹽彩色膠片相似，由三層感光元素垂直疊在一起。同等像素的x3圖像感光器比傳統(tǒng)ccd銳利

10、兩倍，提供更豐富的彩色還原度以及避免采用bayer pattern傳統(tǒng)感光器所特有的色彩干擾。另外，由于每個像素提供完整的三原色信息，把色彩信號組合成圖像文件的過程簡單很多，降低了對圖像處理的計算要求。采用cmos半導體工藝的x3圖像感光器耗電比傳統(tǒng)ccd小。 x3技術的另一個特點是虛擬像素尺寸-vps（virtual pixel size）。它可以把鄰近的像素信號組合成一個像素，如2x2或者4x4，從而增加信噪比。這可以應用于提高感光度同時保持低噪音。此外使用vps減低像素還可以加快從感光器提取信號的速度，這對于攝像應用有幫助。 6、傳統(tǒng)的cmos傳感器每個像素點都要搭配一個對應的a/d轉換

11、器，及對應的放大電路，因此，這部分電路會占用更多的像素面積，直接導致光電二極管實際感光的面積變小，感光能力變弱。ccd的單個像素點不需要a/d轉換器和放大電路，光電二極管能獲得更大的實際感光面積，開口率更大，因此在小尺寸影像傳感器領域，目前ccd仍占 據(jù)一定優(yōu)勢，而在大尺寸影像傳感器領域，由于單個像素點的面積大，a/d轉換器和放大電路占用的面積只是整個像素的很小一部分，影響不大，因此cmos傳感器也得到了廣泛的應用。 而exmor r cmos將光電二極管“放置”在了影像傳感器芯片的最上層，把a/d轉換器及放大電路挪到了影像傳感器芯片的“背面”，而不是像傳統(tǒng)cmos傳感器一樣，a/d轉換器和放

12、大電路位于光電二極管的上層，“擋住了”一部分光線。這樣一來，通過微透鏡和色彩濾鏡進來的光線就可以最大限度地被光電二極管利用，開口率得以大幅度提高，即便是小尺寸的影像傳感器，也能獲得優(yōu)良的高感光度能力。相比較之下，傳統(tǒng)的表面照射型cmos傳感器的光電二極管位于整個芯片的最下層，而a/d轉換器和放大電路位于光電二極管上層，因此光電二極管離透鏡的距離更遠，光線更容易損失。同時，這些線路連接層還會阻塞從色彩濾鏡到達光電二極管的光路，因此直接導致實際能夠感光更少。而exmor r背照式cmos傳感器解決了這樣的問題。三、 ccd和cmos的區(qū)別 其實：ccd是只是一個泛稱，即電荷耦合元件（charged

13、-coupled device）。 我們通常所說的ccd是指的使用ttl加工工藝的ccd， 而cmos是使用cmos加工工藝的ccd。在光電轉換（由愛因斯坦在1921年提出）獲取圖像的原理上并無不同 在拾取信號的時候，ccd同時讀取所有信息，cmos是按行滾動讀取的， rolling effect就是由這種滾動讀取的特點所造成的。 ttl是低阻器件，抗干擾特性好，電流控制，所以電流大，耗電多，發(fā)熱也嚴重，因此高感光度的噪聲會非常多； 而cmos是高阻器件，電壓控制，易被干擾，不過電流小，很省電； ttl類似二極管，而cmos類似場效應管。ttl的運行速度比cmos快， 因為比cmos發(fā)明的更早

14、，技術積累上ccd要更深一些； 在cmos技術不完備的情況下，以前的ccd在畫質上比cmos好很多， 所以那時候輿論普遍認為ccd有更好的影像質量。四、 結論 1969年由美國貝爾實驗室開發(fā)的ccd技術在誕生初期不被重視，20世紀80年代后期逐漸成熟，20世紀90年代之后得到了迅猛發(fā)展，ccd的單位面積也呈現(xiàn)出小型化的趨勢。ccd技術經過近40年的不斷發(fā)展，現(xiàn)在已經達到非常成熟的階段。由于ccd感光元件采用單一的通道，因此光效率比較低，而且傳輸電荷信號需要電壓的支持，因此耗電量大，但是單一的通道有利于在信號傳輸過程中減少電荷放大時的噪聲。ccd和cmos采用類似的色彩還原原理，但是cmos傳感器信噪比差，敏感度不夠的缺點使得目前ccd技術占據(jù)了數(shù)碼攝影大半壁江山。不過cmos技術也有ccd難以比擬的優(yōu)勢，普通ccd必須使用3個以上的電源電壓，而cmos在單一電源下就可以運作，因而cmos耗電量更小。與ccd產品相比，cmos是標準工藝制程，可利用現(xiàn)有的半導體制造流水線，不需額外投資設備，且品質可隨半導體技術的提升而進步，cmos傳感器的最大優(yōu)勢是售價比ccd便宜近1/3。同時，全球晶圓廠的cmos生產線較多，日后量產時也有利于成本的降低。另外，cmo