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1、专业论文 浅谈数码感光元件的区别 摘要 本人非光学领域的专业从业者，仅仅是从我所见到的部分现象与所能看到的部分文章和资料，加以总结，并且得出本文的最终结论的。如有纰漏，还望斧正。CCD和CMOS是图像传感器，当光线穿过人眼在视网膜上形成影像，背神经传递到大脑后，大脑会识别这些信息。这就是视觉成像的过程。CCD和CMOS就类似人的眼睛的视网膜一样。CCD和CMOS决定着图像质量的好坏。所以CCD和CMOS是数码相机的重要部件之一。关键词CCD CMOS 超级CCD Foveon X3 背照式CMOS 一、 感光元器件基本原理： 1、 CCD （Charge-coupled Device）中文全称
2、：“电荷耦合元件”。CCD上植入的微小光敏物质称作像素。一块CCD上包含的像素数越多，其提供的画面分辨率也就越高。其作用就像胶片一样，但它是把图像像素转换成数字信号。CCD上有许多排列整齐的电容，能感应光线，并将影像转变成数字信号。经由外部电路的控制，每个小电容能将其所带的电荷转给它相邻的电容。CCD和传统底片相比，CCD 更接近于人眼对视觉的工作方式。只不过，人眼的视网膜是由负责光强度感应的杆细胞和色彩感应的锥细胞，分工合作组成视觉感应。 CCD经过长达35年的发展，大致的形状和运作方式都已经定型。CCD 的组成主要是由一个类似马赛克的网格、聚光镜片以及垫于最底下的电子线路矩阵所组成。 2、
3、CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）中文全称“互补性氧化金属半导体”。CMOS的制造技术和一般计算机芯片没什么差别，主要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芯片纪录和解读成影像。 3、超级CCD 富士公司独家推出的SUPER CCD，SUPER CCD并没有采用常规正方形二极管，而是使用了一种八边形的二极管，像素是以蜂窝状形式排列，并且单位像素的面积要比传统的CCD大。4、Foveon x3这是一种用单像素提供三原色的CMOS图像感光器技术。与
4、传统的单像素提供单原色的CCD/CMOS感光器技术不同，X3技术的感光器与银盐彩色胶片相似，由三层感光元素垂直叠在一起。同等像素的X3图像感光器比传统CCD锐利两倍，提供更丰富的彩色还原度以及避免采用Bayer Pattern传统感光器所特有的色彩干扰。另外，由于每个像素提供完整的三原色信息，把色彩信号组合成图像文件的过程简单很多，降低了对图像处理的计算要求。采用CMOS半导体工艺的X3图像感光器耗电比传统CCD小。 5、SONY背照式CMOS技术2008年6月，索尼公司发布了背照式CMOS，称为Exmor R，并首先用在数款DV产品上。背照式CMOS影像从此开始快速发展，至今已有多个芯片厂商
5、发布了该类型的产品，越来越多数码影像设备采用了此技术！ 背照式CMOS传感器的具体结构如上图所示(源自索尼资料，其他芯片厂家的产品可能在细节上有不同，但大体意思是相同的)，橙色的为光线路，黄色线为受光面。左边的传统式，明显看到光线通过微透镜后还需要经过电路层才能到达受光面，中途光线必然会遭到部分损失(包括被阻挡或被减弱)。背照式CMOS传感器的元件则不同，在改变了结构后，光线通过微透镜后就可以直接到达感光层的背面，完成光电反应，从进光量上改善了感光过程。并且在对比装备了背照式CMOS传感器的相机和其他ccd与传统cmos相机的各档位ISO画质，大体的结论是在低ISO的时候，两者相差不大，但在高
6、ISO时候的确有一定的提升。 另外值得提及的一点就是，装备了背照式CMOS传感器的相机在低光环境的对焦能力大大加强，这是一个非常重要的提升。二、 感光元器件的优缺点 1、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升高而增加较快，高感光度下的噪点控制并不是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，比如色彩鲜艳，图像质感鲜活等等。CCD的另一个特点是，它的表面更容易形成静电场，所以比更容易吸附灰尘。 2、CMOS的特性在某些程
7、度上跟CCD完全相反。CMOS传感器在低感光度下的成像也非常干净，但是，采用CMOS传感器的数码单反成像看上去偏灰，色彩饱和度较低，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升高增加较慢。所以，在高感光度下，CMOS传感器表现反而好过CCD传感器。CMOS的另一个优点是数据读取速度快。另外，CMOS相对CCD的功耗较低，除了省电以外，也相对较不容易吸附灰尘。 3、超级CCD将像素旋转45度排列的结果是可以缩小对图像拍摄无用的多余空间，光线集中的效率比较高，效率增加之后使感光性、信噪比和动态范围都有所提高。左为传统CCD（呈矩阵排列）,右为超级C
8、CD（呈蜂窝状排列） 4、传统CCD中的每个像素由一个二极管、控制信号路径和电量传输路径组成。SUPER CCD采用蜂窝状的八边二极管，原有的控制信号路径被取消了，只需要一个方向的电量传输路径即可，感光二极管就有更多的空间。SUPERCCD在排列结构上比普通CCD要紧密。此外像素的利用率较高，也就是说在同一尺寸下，SUPER CCD的感光二极管对光线的吸收程度也比较高，使感光度、信噪比和动态范围都有所提高。那为什么SUPER CCD的输出像素会比有效像素高呢？我们知道CCD对绿色不很敏感，因此是以GBRG来合成。各个合成的像素点实际上有一部分真实像素点是共用，因此图象质量与理想状态有一定差距。
9、这就是为什么一些高端专业级数码相机使用3CCD分别感受RGB三色光的原因。而SUPERCCD通过改变像素之间的排列关系，做到了R、G、B像素相当，在合成像素时也是以三个为一组。因此传统CCD是四个合成一个像素点，其实只要三个就行了，浪费了一个，而SUPER CCD就发现了这一点，只用三个就能合成一个像素点。也就是说，CCD每4个点合成一个像素，每个点计算4次；SUPER CCD每3个点合成一个像素，每个点也是计算4次，因此SUPER CCD像素的利用率较传统CCD高，生成的像素就多了。 5、X3技术的感光器与银盐彩色胶片相似，由三层感光元素垂直叠在一起。同等像素的X3图像感光器比传统CCD锐利
10、两倍，提供更丰富的彩色还原度以及避免采用Bayer Pattern传统感光器所特有的色彩干扰。另外，由于每个像素提供完整的三原色信息，把色彩信号组合成图像文件的过程简单很多，降低了对图像处理的计算要求。采用CMOS半导体工艺的X3图像感光器耗电比传统CCD小。 X3技术的另一个特点是虚拟像素尺寸-VPS（Virtual Pixel Size）。它可以把邻近的像素信号组合成一个像素，如2x2或者4x4，从而增加信噪比。这可以应用于提高感光度同时保持低噪音。此外使用VPS减低像素还可以加快从感光器提取信号的速度，这对于摄像应用有帮助。 6、传统的CMOS传感器每个像素点都要搭配一个对应的A/D转换
11、器，及对应的放大电路，因此，这部分电路会占用更多的像素面积，直接导致光电二极管实际感光的面积变小，感光能力变弱。CCD的单个像素点不需要A/D转换器和放大电路，光电二极管能获得更大的实际感光面积，开口率更大，因此在小尺寸影像传感器领域，目前CCD仍占 据一定优势，而在大尺寸影像传感器领域，由于单个像素点的面积大，A/D转换器和放大电路占用的面积只是整个像素的很小一部分，影响不大，因此CMOS传感器也得到了广泛的应用。 而Exmor R CMOS将光电二极管“放置”在了影像传感器芯片的最上层，把A/D转换器及放大电路挪到了影像传感器芯片的“背面”，而不是像传统CMOS传感器一样，A/D转换器和放
12、大电路位于光电二极管的上层，“挡住了”一部分光线。这样一来，通过微透镜和色彩滤镜进来的光线就可以最大限度地被光电二极管利用，开口率得以大幅度提高，即便是小尺寸的影像传感器，也能获得优良的高感光度能力。相比较之下，传统的表面照射型CMOS传感器的光电二极管位于整个芯片的最下层，而A/D转换器和放大电路位于光电二极管上层，因此光电二极管离透镜的距离更远，光线更容易损失。同时，这些线路连接层还会阻塞从色彩滤镜到达光电二极管的光路，因此直接导致实际能够感光更少。而Exmor R背照式CMOS传感器解决了这样的问题。三、 CCD和CMOS的区别 其实：CCD是只是一个泛称，即电荷耦合元件（Charged
13、-Coupled Device）。 我们通常所说的CCD是指的使用TTL加工工艺的CCD， 而CMOS是使用CMOS加工工艺的CCD。在光电转换（由爱因斯坦在1921年提出）获取图像的原理上并无不同 在拾取信号的时候，CCD同时读取所有信息，CMOS是按行滚动读取的， ROLLING EFFECT就是由这种滚动读取的特点所造成的。 TTL是低阻器件，抗干扰特性好，电流控制，所以电流大，耗电多，发热也严重，因此高感光度的噪声会非常多； 而CMOS是高阻器件，电压控制，易被干扰，不过电流小，很省电； TTL类似二极管，而CMOS类似场效应管。TTL的运行速度比CMOS快， 因为比CMOS发明的更早
14、，技术积累上CCD要更深一些； 在CMOS技术不完备的情况下，以前的CCD在画质上比CMOS好很多， 所以那时候舆论普遍认为CCD有更好的影像质量。四、 结论 1969年由美国贝尔实验室开发的CCD技术在诞生初期不被重视，20世纪80年代后期逐渐成熟，20世纪90年代之后得到了迅猛发展，CCD的单位面积也呈现出小型化的趋势。CCD技术经过近40年的不断发展，现在已经达到非常成熟的阶段。由于CCD感光元件采用单一的通道，因此光效率比较低，而且传输电荷信号需要电压的支持，因此耗电量大，但是单一的通道有利于在信号传输过程中减少电荷放大时的噪声。CCD和CMOS采用类似的色彩还原原理，但是CMOS传感
15、器信噪比差，敏感度不够的缺点使得目前CCD技术占据了数码摄影大半壁江山。不过CMOS技术也有CCD难以比拟的优势，普通CCD必须使用3个以上的电源电压，而CMOS在单一电源下就可以运作，因而CMOS耗电量更小。与CCD产品相比，CMOS是标准工艺制程，可利用现有的半导体制造流水线，不需额外投资设备，且品质可随半导体技术的提升而进步，CMOS传感器的最大优势是售价比CCD便宜近1/3。同时，全球晶圆厂的CMOS生产线较多，日后量产时也有利于成本的降低。另外，CMOS传感器的最大优势，是它具有高度系统整合的条件。理论上，所有图像传感器所需的功能，例如垂直位移、水平位移暂存器、时序控制、CDS、ADC等，都可放在集成在一颗晶片上，甚至于所有的晶片包括后端晶片（Back-end Chip）、快闪记忆体（Flash RAM）等也可整合成单晶片（SYSTEM-ON-CHIP），以达到降低整机生产成本的目的。相信未来CMOS传感器会有更大的发展，在数码影像行业占有更高的份额。专业论文作者： （签字） 2012 年 12 月 16 日
