感光元件CCD及CMOS对比介绍.docx

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为了便于大家了解数码相机感光元件 CCD 或 COSM。其性能优劣，各有千秋。以下的文章是网上流传，加以转载：
CCD 英文全名 Charge Coupled Device，感光耦合元件，CCD 为数位相机中可记录光线变化的半导体，通常以百万像素〈megapixel〉为单位。数位相机规格中的多少百万像素，指的就是 CCD 的解析度，也代表着这台数位相机的 CCD 上有多少感光元件。
CCD 主要材质为硅晶半导体，根本原理类似 CASIO 计算机上的太阳能电池，透过光电效应，由感光元件外表感应来源光线，从而转换成储存电荷的力量。简洁的说，当 CCD 外表承受到快门开启，镜头进来的光线照耀时， 即会将光线的能量转换成电荷，光线越强、电荷也就越多，这些电荷就成为推断光线强弱大小的依据。CCD 元件上安排有通道线路，将这些电荷传输至放大解码原件，就能复原全部 CCD 上感光元件产生的讯号，并构成了一幅完整的画面。此一特性，使得 CCD 通用在数位相机〈Digital Camera〉与扫瞄器〈Scanner〉上，作为目前最大宗之感光元件来源。
ＣＭＯＳ 英文全名 Complementary metel-Oxide Semiconductor，互补性氧化金属半导体，CMOS 和 CCD 一样同为在数码相机中可记录光线变化的半导体 ，外观上几乎无分轩轾。但，CMOS 的製造技术和 CCD 不同，反而比较接近一般电脑晶片。CMOS 的材质主要是利用硅和锗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晶片纪录和解读成影像。然而，CMOS 由于在画素的旁边就放置了讯号放大器，导致其缺点简洁消灭杂点 ，特别是处理快速变化的影像时， 由于电流变化过于频繁而会产生过热的现象，更使得杂讯难以抑制。
CCD 和 CMOS 相机的成像特点比照： CCD
承受 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，成像有良好的表现。但是，从目前数码单反的表现来看，CCD 的噪点随着感光度的上升而增加较快，高感光度下的噪点掌握并不是 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，比方颜色明媚，图像质感鲜活等等。CCD 的另一个特点是，它的外表更简洁形成静电场，所以比更简洁吸附灰尘。所以，对于承受 CCD 传感器的数码单反来说，你可能需要更留意防尘。目前，在市场上主流的数码单反中，承受CCD 传感器的数码单反包括尼康 D40/D40X ， D60 ， D80 ， D200 ， 索尼a100/200/300/350，
CMOS
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格外干净，但是，承受 CMOS 传感器的数码单反成像看上去偏灰〔在不调整的状况下〕，颜色饱和度较低，质感和锐度的表现也要稍逊一筹。但是，目前大多数
CMOS 具备硬件降噪机制，所以噪点随着感光度的上升增加较慢，所以，在高感光度下，CMOS 传感器表现反而好过 CCD 传感器。佳能的全系列数码单反均承受CMOS 传感器，这也是佳能的数码单反在高感光度下表现较好的一个缘由。而尼康 D300、D700、D3，索尼 a700、宾得 K20D、三星 GX-20 等承受 CMOS 传感器的数码单反在高感光度下也有较好的表现。CMOS 的另一个优点是数据读取速度快， 因此那些连拍速度较快的数码单反都清一色承受 CMOS 传感器。另外，CMOS 相对CCD 的功耗较低，除了省电以外，也相对较不简洁吸附灰尘。
CMOS 对抗 CCD 的优势在于本钱低，耗电需求少, 便于制造, 可以与影像处理电路同处于一个晶片上。但由于上述的缺点，CMOS 只能在经济型的数位相机市场中生存。 不过，一代 『Fill Factor CMOS』 成为解决这个难题的救星，Fill factor CMOS 属于此型感测器中最先进的製程技术。最大的差异在于提高 Fill Factor〔单一画素中可吸取光的面积对整个画素的比例〕，有效做到提升敏感度、放大 CMOS 面积〔全画幅〕和降低杂讯的影响。再将 Fill Factor CMOS 与 CCD 感光器比较觉察，CCD 受限于良率和构造製程，面积越小，画素越高，相对本钱也就越低；Fill Factor CMOS 刚好相反，由于感光开口加大，FF CMOS 可以挑战更高画素，更大面积〔全画幅〕，甚至就产出比例来说，FF CMOS 单一晶圆的附加价值更大。
由于 Fill Factor CMOS 技术的特别性，自身拥有晶圆生产设备的 Canon 可以说是最早体悟到 Fill Factor CMOS 的市场潜力。Canon EOS D30 是该公司最早选择以 FF CMOS 当感光元件数位 DSLR 产品，低廉的价格颇受消费者支持。虽然，EOS D30 的画质表现一般，不过，后续的争论整合了完整的图像处理引擎等， 更高速且尖端的影像技术，今日，採用大画素、全片幅之 Fill Factor CMOS 已经成为主流，高阶旗舰级全片幅数位机身包括： Canon 1DsMarkII、Kodak DCS Pro/c 也全面採用 Fill factor CMOS。
比较 CCD 和 CMOS 的构造，放大器的位置和数量是最大的不同之处 ,简洁地解释：
CCD 每曝光一次，自快门关闭或是内部时脉自动断线〔电子快门〕后，即进展画素转移处理，将每一行中每一个画素〔pixel〕的电荷信号依序传入『缓冲器〔电
荷储存器〕』中，由底端的线路导引输出至 CCD 旁的放大器进展放大，再串联 ADC
〔类比数位资料转换器〕 输出；
相对地，CMOS 的设计中每个画素旁就直接连着『放大器』，光电讯号可直接放大再经由 BUS 通路移动至 ADC 中转换成数位资料。
CCD 与 CMOS 感光元件之优缺点比较.
CMOS 设计单一感光器感光器连结放大器灵敏度同样面积下较高感光开口小 灵敏度低本钱凹凸解析度构造複杂度低解析度高传统技术较低讯比多元放大器 杂讯低误差大 杂讯高耗能比需外加电压导出电荷，耗能高像素直接放大，耗能低反响速度慢快
由于构造上的根本差异，我们可以看出 CCD 和 CMOS 在性能上的不同：
CCD 的特色在于充分保持信号在传输时不失真〔专属通道设计〕，透过每一个画素集合至单一放大器上再做统一处理，可以保持资料的完整性； CMOS 的制程较简洁，没有专属通道的设计，因此必需先行放大再整合各个画素的资料。
整体来说，CCD 与 CMOS 两种设计的应用，反响在成像效果上，形成包括 ISO 感光度、製造本钱、解析度、杂讯与耗电量等，不同类型的差异比照方下：
ISO 感光度差异：由于 CMOS 每个画素包含了放大器与 A/D 转换电路，过多的额外设备压缩单一画素的感光区域的外表积，因此在 一样画素下，同样大小之感光器尺寸，CMOS 的感光度会低于 CCD。
本钱差异：CMOS 应用半导体工业常用的 MOS 制程，可以一次整合全部周边设施于单晶片中，节约加工晶片所需负担的本钱 和良率的损失；相对地 CCD 採用电荷传递的方式输出资讯，必需另闢传输通道，假设通道中有一个画素故障〔Fail〕，就会导致一整排的讯号壅塞，无法传递，因此 CCD 的良率比 CMOS 低，加上另闢传输通道和外加 ADC 等周边，CCD 的製造本钱相对高于 CMOS。
解析度差异：在第一点『感光度差异』中，由于 CMOS 每个画素的构造比 CCD 複杂，其感光开口不及 CCD 大，相比照较一样尺寸的 CCD 与 CMOS 感光器时，CCD
感光器的解析度通常会优于 CMOS。不过，假设跳脱尺寸限制，目前业界的 CMOS 感光原件已经可到达 1400 万 画素 / 全片幅的设计，CMOS 技术在量率上的优势可以抑制大尺寸感光原件製造上的困难，特别是全片幅 24mm-by-36mm 这样的大小。
杂讯差异：由于 CMOS 每个感光二极体旁都搭配一个 ADC 放大器，假设以百万画素计，那麽就需要百万个以上的 ADC 放大器，虽然是统一製造下的产品，但是每个放大器或多或少都有些微的差异存在，很难到达放大同步的效果，比照单一个放大器的 CCD，CMOS 最终计算出的杂讯就比较多。
耗电量差异：CMOS 的影像电荷驱动方式为主动式，感光二极体所产生的电荷会直接由旁边的电晶体做放大输出；但 CCD 却为被动式，必需外加电压让每个画素中的电荷移动至传输通道。而这外加电压通常需要12 伏特〔V〕以上的水平，因此 CCD 还必需要有更周密的电源线路设计和耐压强度，高驱动电压使 CCD 的电量远高于 CMOS。
尽管 CCD 在影像品质等各方面均优于 CMOS，但不行否认的 CMOS 具有低本钱、低耗电以及高整合度的特性。由于数位影像的需求喧闹，CMOS 的低本钱和稳定供货，成为厂商的最爱，也因此其製造技术不断地改进更，使得 CCD 与 CMOS 两者的差异渐渐缩小 。