CCD与CMOS影像感应器的技术原理

CCD与CMOS影像感应器的技术原理

CCD影像感应器目前已大部份被使用在数码相机上，而近年来CMOS感应器也逐渐开始出现在数码相机的市场当中，CMOS的诞生具备了许多CCD所没有的一些优势，例如：省电、高集成度、成本更低等等。因此就未来影像感应技术的发展来看，数码相机的影像感应器市场将会是CCD与CMOS的兵家必争之地，未来低于4000元的数码相机的影像感应器相信将会由CMOS胜出，而高于这一价格的数码相机市场将会出现由CCD与CMOS共同领导的新局面。

    从工作原理上讲，这两种影像感应器都是将光讯号转变成电信号而进行輸出，而这一转换也是在每一个像素中所完成。所以要了解影像感应器的原理之前，我们必须先要了解像素的定义和原理。影像感应器制造商对像素的定义是：在影像感应器上将光讯号转变成电信号的基本工作单位。比如，一台数码相机标称使用一枚1280 x 960的影像感应器，那么它就会有1,228,800个像素，而这是完全不同于传统电视与电脑显示器制造商所使用的像素定义的。

像素的原理

 

电子显微镜下的CCD表面

    像素是影像感应器的基本单位，以CMOS感应器的像素为例，它包含了一个光电二极管，用以产生与入射光成比例的电荷，同时它也包含了其他一些电子元件，以提供缓存转换和复位功能。当每个像素上的电容所积累的电荷达到的一定数量并被传送给信号放大器再通过数模转换之后，所拍摄影像的原始信号才得以真正成形，而具有全部这些功能的器件才能称为是一个真正的影像感应器。

 

CMOS产品图片

信噪比

    影像感应器的信噪比可以用分贝（噪声单位）表示，当信号到达一定强度时，信噪比并不会等比例增加，但是，如果要让低伏值*的讯号可以被检测出来，那么信噪比就变得非常重要。

信噪比的基本定义为：在有效输出范围内，真值信号强度与噪声强度的比值。当真值信号被噪声所埋没后，后方将无法有效地从前方输出中提取信息。

*在常规的信号检测中，电压被做为可参考的主要依据，同样对于影像感应器来说，每个像素输出的电压高低便作为后方信号处理的实际依据。

色彩灵敏度失衡

暗电流

    暗电流是在没有入射光时光电二极管所释放的电流量，理想的影像感应器其暗电流应该是零，但是，实际状况是每个像素中的光电二极管同时又充当了电容，当电容器慢慢地释放电荷时，就算没有入射光，暗电流的电压也会与低亮度入射光的输出电压相当。因此，在这些时候我们还是能从显示器上看到部分“影像”，大部分情况下这都是因为从暗电流中所累积的电荷释放造成的。所以，暗电流是影响画质的噪声之一，CCD与CMOS感应器的暗电流范围为0.075－2.0纳安/平方厘米左右。实际上因为CCD与CMOS在图像采集方面的本质区别，在暗电流的形成上差别还是比较大的。但是由于双方在后台处理上的不同，暗电流的影响已经消除了大半，因此在最终得到的实际影像上的差别还不是非常明显的。

像素的大小

    影像感应器能否捕捉到低亮度的影像将取决于每个像素的采光区域的大小，较大的像素将使影像感应器捕捉到更多的光子，如此便能提高像素的动态范围。但是，更大的像素也就需要较多的硅芯片，这也在无形当中加高了生产成本，因此决定最佳化的影像感应器组件大小将由设定采光区域的大小、低亮度的敏感性，以及所期望获得的实际影像质量来共同决定。

佳能EOS D60结构示意图及CMOS感应器结构图

CMOS影像感应器技术

    CMOS影像感应器大约是在80年代初发明出来的，只是当时CMOS设计制作技术不高，以致于感应器的噪声大，想要商品化并不容易。时至今日，CMOS感应器的应用范围已经非常广泛，包括数码相机、电脑摄像头、可视电话、第三代手机、智能型安全系统、汽车倒车雷达、玩具，以及工业、医疗等多种用途。由于使用范围广泛，这也非常有利于CMOS产品的普及。CMOS不但体积小，耗电量也不到CCD的1/10，售价也比CCD便宜近1/3，画质已接近低端分辨率的CCD，国内相关生产企业早已开始使用CMOS来替代传统的CCD感应器。

    CMOS影像感应器目前主要用以数码相机、摄像头等产品，在130万像素以下的CMOS品质已相当接近CCD感应器，而且体积比CCD更小。尤其是电脑摄像头在动态影像的撷取方面，对影像品质要求不比静态的数码相机高，48万像素的画质就可以被用户所接受，目前生产企业采用CMOS的比例已开始大大增加。

    虽然CMOS影像感应器真正的快速发展只有2、3年时间，虽然在品质上仍难与CCD媲美，但是相信在不久的将来CMOS终会取代CCD成为主流，而这只不过是时间的问题。CMOS要想成为市场主流必须克服的最大的问题就是成像品质。就目前的效果而言，较高像素的CMOS感应器已经面临到感光度、信噪比不足等多项问题 ，影像品质无法与同级CCD感应器相比。以目前的条件来看，CMOS感应器要普遍应用在340万像素以上的数码相机市场，时机尚未成熟。但是，影像感应器市场应用范围很广，涵盖消费、商业 、工业等多种领域，根据市场供求量的计算，在未来三年的发展中，CMOS感应器每年的累计增长率都将超过25%。

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