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(xué)領(lǐng)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(jié)，并且得出本文的最終結(jié)論的。如有紕漏，還望斧正。ccd和cmos是圖像傳感器，當(dāng)光線穿過人眼在視網(wǎng)膜上形成影像，背神經(jīng)傳遞到大腦后，大腦會(huì)識(shí)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(wǎng)膜一樣。ccd和cmos決定著圖像質(zhì)量的好壞。所以ccd和cmos是數(shù)碼相機(jī)的重要部件之一。關(guān)鍵詞ccd cmos 超級(jí)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(zhì)稱作像素。一塊ccd上包含的像素?cái)?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(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荷轉(zhuǎn)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(wǎng)膜是由負(fù)責(zé)光強(qiáng)度感應(yīng)的桿細(xì)胞和色彩感應(yīng)的錐細(xì)胞，分工合作組成視覺感應(yīng)。 ccd經(jīng)過長達(dá)35年的發(fā)展，大致的形狀和運(yùn)作方式都已經(jīng)定型。ccd 的組成主要是由一個(gè)類似馬賽克的網(wǎng)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(bǔ)性氧化金屬半導(dǎo)體”。cmos的制造技術(shù)和一般計(jì)算機(jī)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(dǎo)體，使其在cmos上共存著帶n（帶電）和 p（帶+電）級(jí)的半導(dǎo)體，這兩個(gè)互補(bǔ)效應(yīng)所產(chǎn)生的電流即可被處理芯片紀(jì)錄和解讀成影像。 3、超級(jí)ccd 富士公司獨(dú)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(shù)。與

4、傳統(tǒng)的單像素提供單原色的ccd/cmos感光器技術(shù)不同，x3技術(shù)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(gè)像素提供完整的三原色信息，把色彩信號(hào)組合成圖像文件的過程簡單很多，降低了對圖像處理的計(jì)算要求。采用cmos半導(dǎo)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(shù)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(chǎn)品上。背照式cmos影像從此開始快速發(fā)展，至今已有多個(gè)芯片廠商

5、發(fā)布了該類型的產(chǎn)品，越來越多數(shù)碼影像設(shè)備采用了此技術(shù)！ 背照式cmos傳感器的具體結(jié)構(gòu)如上圖所示(源自索尼資料，其他芯片廠家的產(chǎn)品可能在細(xì)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(jīng)過電路層才能到達(dá)受光面，中途光線必然會(huì)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(jié)構(gòu)后，光線通過微透鏡后就可以直接到達(dá)感光層的背面，完成光電反應(yīng)，從進(jìn)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(jī)和其他ccd與傳統(tǒng)cmos相機(jī)的各檔位iso畫質(zhì)，大體的結(jié)論是在低iso的時(shí)候，兩者相差不大，但在高

6、iso時(shí)候的確有一定的提升。 另外值得提及的一點(diǎn)就是，裝備了背照式cmos傳感器的相機(jī)在低光環(huán)境的對焦能力大大加強(qiáng)，這是一個(gè)非常重要的提升。二、 感光元器件的優(yōu)缺點(diǎn) 1、ccd的數(shù)碼單反，圖像飽和度較高，圖像較為銳利，質(zhì)感更加真實(shí)。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(diǎn)隨著感光度的升高而增加較快，高感光度下的噪點(diǎn)控制并不是ccd傳感器的強(qiáng)項(xiàng)。也就是說，ccd傳感器的優(yōu)勢表現(xiàn)在低感光度下，這時(shí)候能充分發(fā)揮ccd傳感器的優(yōu)勢，比如色彩鮮艷，圖像質(zhì)感鮮活等等。ccd的另一個(gè)特點(diǎn)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(zhì)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(jī)制，所以噪點(diǎn)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(gè)優(yōu)點(diǎn)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(jí)ccd將像素旋轉(zhuǎn)45度排列的結(jié)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(dòng)態(tài)范圍都有所提高。左為傳統(tǒng)ccd（呈矩陣排列）,右為超級(jí)c

8、cd（呈蜂窩狀排列） 4、傳統(tǒng)ccd中的每個(gè)像素由一個(gè)二極管、控制信號(hào)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(hào)路徑被取消了，只需要一個(gè)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(jié)構(gòu)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(dòng)態(tài)范圍都有所提高。那為什么super ccd的輸出像素會(huì)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(gè)合成的像素點(diǎn)實(shí)際上有一部分真實(shí)像素點(diǎn)是共用，因此圖象質(zhì)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(jí)數(shù)碼相機(jī)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(guān)系，做到了r、g、b像素相當(dāng)，在合成像素時(shí)也是以三個(gè)為一組。因此傳統(tǒng)ccd是四個(gè)合成一個(gè)像素點(diǎn)，其實(shí)只要三個(gè)就行了，浪費(fèi)了一個(gè)，而super ccd就發(fā)現(xiàn)了這一點(diǎn)，只用三個(gè)就能合成一個(gè)像素點(diǎn)。也就是說，ccd每4個(gè)點(diǎn)合成一個(gè)像素，每個(gè)點(diǎn)計(jì)算4次；super ccd每3個(gè)點(diǎn)合成一個(gè)像素，每個(gè)點(diǎn)也是計(jì)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(shù)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(gè)像素提供完整的三原色信息，把色彩信號(hào)組合成圖像文件的過程簡單很多，降低了對圖像處理的計(jì)算要求。采用cmos半導(dǎo)體工藝的x3圖像感光器耗電比傳統(tǒng)ccd小。 x3技術(shù)的另一個(gè)特點(diǎn)是虛擬像素尺寸-vps（virtual pixel size）。它可以把鄰近的像素信號(hào)組合成一個(gè)像素，如2x2或者4x4，從而增加信噪比。這可以應(yīng)用于提高感光度同時(shí)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(hào)的速度，這對于攝像應(yīng)用有幫助。 6、傳統(tǒng)的cmos傳感器每個(gè)像素點(diǎn)都要搭配一個(gè)對應(yīng)的a/d轉(zhuǎn)換

11、器，及對應(yīng)的放大電路，因此，這部分電路會(huì)占用更多的像素面積，直接導(dǎo)致光電二極管實(shí)際感光的面積變小，感光能力變?nèi)?。ccd的單個(gè)像素點(diǎn)不需要a/d轉(zhuǎn)換器和放大電路，光電二極管能獲得更大的實(shí)際感光面積，開口率更大，因此在小尺寸影像傳感器領(lǐng)域，目前ccd仍占 據(jù)一定優(yōu)勢，而在大尺寸影像傳感器領(lǐng)域，由于單個(gè)像素點(diǎn)的面積大，a/d轉(zhuǎn)換器和放大電路占用的面積只是整個(gè)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(yīng)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(bǔ)/d轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jìn)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(gè)芯片的最下層，而a/d轉(zhuǎn)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(yuǎn)，光線更容易損失。同時(shí)，這些線路連接層還會(huì)阻塞從色彩濾鏡到達(dá)光電二極管的光路，因此直接導(dǎo)致實(shí)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(shí)：ccd是只是一個(gè)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(zhuǎn)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(hào)的時(shí)候，ccd同時(shí)讀取所有信息，cmos是按行滾動(dòng)讀取的， rolling effect就是由這種滾動(dòng)讀取的特點(diǎn)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(yán)重，因此高感光度的噪聲會(huì)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(yīng)管。ttl的運(yùn)行速度比cmos快， 因?yàn)楸萩mos發(fā)明的更早

14、，技術(shù)積累上ccd要更深一些； 在cmos技術(shù)不完備的情況下，以前的ccd在畫質(zhì)上比cmos好很多， 所以那時(shí)候輿論普遍認(rèn)為ccd有更好的影像質(zhì)量。四、 結(jié)論 1969年由美國貝爾實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的ccd技術(shù)在誕生初期不被重視，20世紀(jì)80年代后期逐漸成熟，20世紀(jì)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(shù)經(jīng)過近40年的不斷發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)達(dá)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(hào)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(hào)傳輸過程中減少電荷放大時(shí)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(diǎn)使得目前ccd技術(shù)占據(jù)了數(shù)碼攝影大半壁江山。不過cmos技術(shù)也有ccd難以比擬的優(yōu)勢，普通ccd必須使用3個(gè)以上的電源電壓，而cmos在單一電源下就可以運(yùn)作，因而cmos耗電量更小。與ccd產(chǎn)品相比，cmos是標(biāo)準(zhǔn)工藝制程，可利用現(xiàn)有的半導(dǎo)體制造流水線，不需額外投資設(shè)備，且品質(zhì)可隨半導(dǎo)體技術(shù)的提升而進(jìn)步，cmos傳感器的最大優(yōu)勢是售價(jià)比ccd便宜近1/3。同時(shí)，全球晶圓廠的cmos生產(chǎn)線較多，日后量產(chǎn)時(shí)也有利于成本的降低。另外，cmo