[轉貼] CMOS VS. CCD

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發信人: "Alvin" <alvin@image4u.com.tw>, 看板: Photo 標題: CMOS VS. CCD 發信站: SEEDNet News Service (Fri Oct 18 23:22:20 2002) sj14-69.dialup.seed.net 轉信站: SEEDNet News Service (Fri Oct 18 23:22:20 2002) sj14-69.dialup.seed.net 轉信站: Maxwell!bbs.ee.ntu!freebsd.ntu!ctu-peer!spring!news.nctu!feeder.seed.n 資料來源：http://www.image4u.com.tw/phpBB2 　　1970年是影像處理行業具有里程碑意義的一年，美國貝爾實驗室發明了CCD。二十年後，人們利用這一技術製造了數位相機，將影像處理行業推進到一個全新領域。數位相機無需底片和沖洗、可重復拍攝和即時調整；影像可無限次複製且不會降低質量，方便永久保存，並可用於電子傳送和處理。它的誕生給影像處理業帶來了一場革命。　　而後，有人發現，將電腦系統裏的一種晶片進行加工也可以作為數位相機中的感光器，即CMOS，其便於大規模生產和成本低廉的特性是商家們夢寐以求的。業內人士分析，它在不久的將來可能取代CCD。如今，兩者依然共存，CCD仍是“主流”。　　一般人都認為“感光器，尤其是CCD，是數位相機最最核心的部件，是數位相機的心臟。”但感光器，尤其是CCD，在數位相機中的功能是將透過鏡頭的光線捕獲並轉換為電子信號，與其說是數位相機的心臟，不如說是數位相機的眼睛。但無法否認，CCD 或CMOS感光感測器是數位相機中十分重要的元件，它們在很大程度上決定了數位相機的像素，而且CCD對於數位相機的成本更具絕對的影響力，尤其是越大量的領域這一特性表現越為突出。　　從目前的市場情況來看，CCD佔據大量市場，CMOS盤踞低端領地，兩者還在中端區域角逐天下，那麼這兩種技術究竟有何差異呢？我們下面通過技術和結構兩個方面的對比進行闡述。　　技術對比　　從技術的角度比較，CCD與CMOS有如下四個方面的不同：資訊讀取方式　　CCD電荷耦合器存儲的電荷資訊，需在同步信號控制下一位元一位元地實施轉移後讀取，電荷資訊轉移和讀取輸出需要有時鐘控制電路和三組不同的電源相配合，整個電路較為複雜。CMOS光電感測器經光電轉換後直接產生電流（或電壓）信號，信號讀取十分簡單。速度　　CCD電荷耦合器需在同步時鐘的控制下，以行為單位一位元一位元地輸出資訊，速度較慢；而CMOS光電感測器採集光信號的同時就可以取出電信號，還能同時處理各單元的圖像資訊，速度比CCD電荷耦合器快很多。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光電感測器只需使用一個電源，耗電量非常小，僅為CCD電荷耦合器的1/8到1/10，CMOS光電感測器在節能方面具有很大優勢。成像質量　　CCD電荷耦合器製作技術起步早，技術成熟，採用PN結或二氧化矽（SiO2）隔離層隔離雜訊，成像質量相對CMOS光電感測器有一定優勢。由於CMOS光電感測器集成度高，各光電傳感元件、電路之間距離很近，相互之間的光、電、磁干擾較嚴重，雜訊對圖像質量影響很大，使CMOS光電感測器很長一段時間無法進入實用。近年，隨著CMOS電路消噪技術的不斷發展，為生產高密度優質的CMOS圖像感測器提供了良好的條件。結構對比 CCD與CMOS兩種感測器在“內部結構”和“外部結構”上都是不同的。內部結構（感測器本身的結構）　　CCD的成像點為X－Y縱橫矩陣排列，每個成像點由一個光電二極體和其控制的一個鄰近電荷存儲區組成。光電二極體將光線（光量子）轉換為電荷（電子），聚集的電子數量與光線的強度成正比。在讀取這些電荷時，各行資料被移動到垂直電荷傳輸方向的暫存器中。每行的電荷資訊被連續讀出，再通過電荷/電壓轉換器和放大器傳感。這種構造產生的圖像具有低噪音、高性能的特點。但是生產CCD需採用時鐘信號、偏壓技術，因此整個構造複雜，增大了耗電量，也增加了成本。數位相機成像過程　　CMOS感測器周圍的電子元件，如數位邏輯電路、時鐘驅動器以及模/數轉換器等，可在同一加工程式中得以集成。CMOS感測器的構造如同一個記憶體，每個成像點包含一個光電二極體、一個電荷/電壓轉換單元、一個重新設置和選擇電晶體，以及一個放大器，覆蓋在整個感測器上的是金屬互連器（計時應用和讀取信號）以及縱向排列的輸出信號互連器，它可以通過簡單的X－Y定址技術讀取信號。外部結構（感測器在產品上的應用結構）　　CCD電荷耦合器僅能輸出類比電信號，輸出的電信號還需經後續位址解碼器、模數轉換器、圖像信號處理器處理，並且還須提供三組不同電壓的電源和同步時鐘控制電路，集成度非常低。由CCD電荷耦合器構成的數位相機通常有六個晶片，有的多達八片，最少的也有三片，使CCD電荷耦合器製作的數位相機成本較高。　　CMOS光電感測器的加工採用半導體廠家生產積體電路的流程，可以將數位相機的所有部件集成到一塊晶片上，如光敏元件、圖像信號放大器、信號讀取電路、模數轉換器、圖像信號處理器及控制器等，都可集成到一塊晶片上，還具有附加DRAM的優點。只需要一個晶片就可以實現數位相機的所有功能，因此採用CMOS晶片的光電圖像轉換系統的整體成本很低。成像原理　　數位相機主要由光學鏡頭、感光感測器(CCD或CMOS)、模數轉換器(A/D）、圖像處理器（DSP）、圖像記憶體(Memory）、液晶顯示器（LCD）、埠、電源和閃光燈組成。　　數位相機是利用光電感測器（CCD或CMOS）的圖像感應功能，將物體反射的光轉換為數位信號，經壓縮後儲存於內建的記憶體上。　　感光感測器的功能是將光信號轉換成電信號，其質量決定著數位相機的成像質量。感光感測器先將光能轉變為電子信號，之後再轉換為數位資訊，光線越亮產生的電子信號越強。在結合了光線強度與顏色之後，再轉成像素，數位相機可將每個像素設定為特定色彩。感光感測器是由很多小的光電感測器組合而成陣列，光電感測器陣列上光電傳感元件的總數決定了成像總像素的多少，即決定了成像面積的大小。面積相同，像素越多，生成圖像的解析度就越高，清晰度越好。　　外部的光線透過鏡頭，彙聚於鏡頭後的光電感測器（CCD/CMOS）上；光電感測器將光信號轉換為與光強度成正比的類比電信號，送往模數轉換器；模數轉換器將類比電信號轉換為二進位數字字信號，送往圖像處理器；圖像處理器將數位圖像信號進行處理、壓縮後存儲在記憶體中。上述成像過程是在核心控制晶片的控制下完成的。　　具體到CCD，當光線經鏡頭會聚到CCD上時，光敏元件因感受光強的不同而感應出不同數量的電荷，經記憶體暫存後，由電荷轉移電路、電荷資訊讀取電路按時鐘脈衝順序讀出電荷資訊，送往A/D轉換器，經轉換形成與光強度成比例的二進位數字，此二進位數字即對應一個像素的資料。而CMOS感測器，經過光電轉換後產生的圖像資訊經由場效應管直接產生與光強度成正比的電壓（或電流）信號，送往A/D轉換器轉換為數位信號。　　產品應用　　目前，CCD技術主要掌握在索尼、佳能、奧林巴斯等幾大廠商手中。主流的數位相機均採用CCD作為光敏感測元件，像素數一般為三百萬左右。其製造工藝複雜，功耗大，成本較高。柯達、富士、索尼、佳能、奧林巴斯、三洋等廠商的產品佔據著數位相機的大量市場。由於技術的局限，數位相機目前還不可能達到傳統的銀鹽相機一樣的成像質量。此類產品的應用物件主要是新聞工作者，攝影專業人士及攝影愛好者，並可作為辦公設備。　　值得一提的是，富士軟片公司獨自研發的“Super CCD”技術已經在富士公司全系列的數位相機中得到了應用。其與普通CCD的關鍵區別在於：普通CCD採用的是普通的矩形光電二極體，而Super CCD使用的是八角形光電二極體，且採用了像素的45°蜂窩式排列。八角形光電二極體因其更接近微透的圓形，可更有效地吸收光。目前，富士公司已推出第三代Super CCD。　　未來，採用CCD感測器的數位相機將繼續朝著提高像素數，增加拍攝功能，提高照片質量的方向發展，力爭在各項指標上早日達到傳統相機的標準。　　採用CMOS感測器的數位相機一般低於35萬像素，主要面向以家庭、個人用戶為主的低端市場。其時尚化、多功能、價格低的優勢受到了普通消費者的歡迎。國內的數位相機廠商對CMOS數位相機傾注了極高的熱情，包括海鷗、先科、喜馬拉雅等先後推出了相應產品。　　CMOS可塑性較高，未來除了數位相機之外，將在傳真機、掃描器、數位攝影機、安全偵測系統等方面得到廣泛應用。目前市場上CMOS產品不多，但在美國，包括Intel、 TI在內的多家公司都在積極研發相關產品。　　名詞解釋　　CCD 　　CCD，(Charge Coupled Device)，即“電荷耦合元件”，以百萬像素為單位。數位相機規格中的多少百萬像素，指的就是CCD的解析度。CCD是一種感光半導體晶片，用於捕捉圖形，廣泛運用於掃描器、影印機以及無軟片相機等設備。與底片的原理相似，光線穿過一個鏡頭，將圖形資訊投射到CCD上。但與底片不同的是，CCD既沒有能力記錄圖形資料，也沒有能力永久保存下來，甚至不具備“曝光”能力。所有圖形資料都會不停留地送入一個“模-數”轉換器，一個信號處理器以及一個存儲設備(比如記憶體晶片或記憶體卡)。CCD有各式各樣的尺寸和形狀，最大的有2×2平方英寸。　　CMOS 　　CMOS,(Complementary Metal Oxide Semiconductor)，即“互補金屬氧化物半導體”。它是電腦系統內一種重要的晶片，保存了系統引導所需的大量資料。CMOS感測器便於大規模生產，且速度快，成本較低，是數位相機關鍵元件的發展方向之一。 -- 這是今天在連線版看到的轉貼文章 -- 只是一個有興趣但不在台大的路人... -- ※ 發信站: 批踢踢實業坊(ptt.cc) ◆ From: 61.224.28.77