CCD 與 CMOS 的主要差別

 

有鑑於許多網友詢問 CCD 與 CMOS 的主要差別。我們暫時撇開復雜的技術文字,透過簡單的比較來看這兩種不同類型,作用相同的影像感光元件。 

  不管,CCD 或 CMOS,基本上兩者都是利用矽感光二極體(photodiode)進行光與電的轉換。這種轉換的原理與各位手上具備“太陽電能”電子計算機的“太陽能電池”效應相近,光線越強、電力越強;反之,光線越弱、電力也越弱的道理,將光影像轉換爲電子數字信號。

  比較 CCD 和 CMOS 的結構,ADC的位置和數量是最大的不同。簡單的說,按我們在上一講“CCD 感光元件的工作原理(上)”中所提之內容。CCD每曝光一次,在快門關閉後進行像素轉移處理,將每一行中每一個像素(pixel)的電荷信號依序傳入“緩衝器”中,由底端的線路引導輸出至 CCD 旁的放大器進行放大,再串聯 ADC 輸出;相對地,CMOS 的設計中每個像素旁就直接連着 ADC(放大兼類比數字信號轉換器),訊號直接放大並轉換成數字信號。

 
兩者優缺點的比較

  CCD CMOS 
設計 單一感光器 感光器連接放大器 
靈敏度 同樣面積下高 感光開口小,靈敏度低 
成本 線路品質影響程度高,成本高 CMOS整合集成,成本低 
解析度 連接複雜度低,解析度高 低,新技術高 
噪點比 單一放大,噪點低 百萬放大,噪點高 
功耗比 需外加電壓,功耗高 直接放大,功耗低 

  由於構造上的基本差異,我們可以表列出兩者在性能上的表現之不同。CCD的特色在於充分保持信號在傳輸時不失真(專屬通道設計),透過每一個像素集合至單一放大器上再做統一處理,可以保持資料的完整性;CMOS的製程較簡單,沒有專屬通道的設計,因此必須先行放大再整合各個像素的資料。

  整體來說,CCD 與 CMOS 兩種設計的應用,反應在成像效果上,形成包括 ISO 感光度、製造成本、解析度、噪點與耗電量等,不同類型的差異:

  ISO 感光度差異:由於 CMOS 每個像素包含了放大器與A/D轉換電路,過多的額外設備壓縮單一像素的感光區域的表面積,因此 相同像素下,同樣大小之感光器尺寸,CMOS的感光度會低於CCD。

  成本差異:CMOS 應用半導體工業常用的 MOS製程,可以一次整合全部周邊設施於單晶片中,節省加工晶片所需負擔的成本 和良率的損失;相對地 CCD 採用電荷傳遞的方式輸出資訊,必須另闢傳輸通道,如果通道中有一個像素故障(Fail),就會導致一整排的 訊號壅塞,無法傳遞,因此CCD的良率比CMOS低,加上另闢傳輸通道和外加 ADC 等周邊,CCD的製造成本相對高於CMOS。

  解析度差異:在第一點“感光度差異”中,由於 CMOS 每個像素的結構比 CCD 複雜,其感光開口不及CCD大, 相對比較相同尺寸的CCD與CMOS感光器時,CCD感光器的解析度通常會優於CMOS。不過,如果跳脫尺寸限制,目前業界的CMOS 感光原件已經可達到1400萬 像素 / 全片幅的設計,CMOS 技術在量率上的優勢可以克服大尺寸感光原件製造上的困難,特別是全片幅 24mm-by-36mm 這樣的大小。

  噪點差異:由於CMOS每個感光二極體旁都搭配一個 ADC 放大器,如果以百萬像素計,那麼就需要百萬個以上的 ADC 放大器,雖然是統一製造下的產品,但是每個放大器或多或少都有些微的差異存在,很難達到放大同步的效果,對比單一個放大器的CCD,CMOS最終計算出的噪點就比較多。

  耗電量差異:CMOS的影像電荷驅動方式爲主動式,感光二極體所產生的電荷會直接由旁邊的電晶體做放大輸出;但CCD卻爲被動式, 必須外加電壓讓每個像素中的電荷移動至傳輸通道。而這外加電壓通常需要12伏特(V)以上的水平,因此 CCD 還必須要有更精密的電源線路設計和耐壓強度,高驅動電壓使 CCD 的電量遠高於CMOS。

  儘管 CCD 在影像品質等各方面均優於CMOS,但不可否認的CMOS具有低成本、低耗電以及高整合度的特性。 由於數碼影像的需求熱烈,CMOS的低成本和穩定供貨,成爲廠商的最愛,也因此其製造技術不斷地改良更新,使得 CCD 與 CMOS 兩者的差異逐漸縮小 。新一代的CCD朝向耗電量減少作爲改進目標,以期進入照相手機的行動通訊市場;CMOS系列,則開始朝向大尺寸面積與高速影像處理晶片統合,藉由後續的影像處理修正噪點以及畫質表現, 特別是 Canon 系列的 EOS D30 、EOS 300D 的成功,足見高速影像處理晶片已經可以勝任高像素 CMOS 所產生的影像處理時間與能力的縮短;另外,大尺寸全片幅則以 Kodak DCS Pro14n、DCS Pro/n、DCS Pro/c 這一系列的數碼機身爲號召,CMOS未來跨足高階的影像市場產品,前景可期。
coms的  由兩種感光器件的工作原理可以看出,CCD的優勢在於成像質量好,但是由於製造工藝複雜,只有少數的廠商能夠掌握,所以導致製造成本居高不下,特別是大型CCD,價格非常高昂。同時,這幾年來,CCD從30萬像素開始,一直發展到現在的600萬,像素的提高已經到了一個極限。

    在相同分辨率下,CMOS價格比CCD便宜,但是CMOS器件產生的圖像質量相比CCD來說要低一些。到目前爲止,市面上絕大多數的消費級別以及高端數碼相機都使用CCD作爲感應器;CMOS感應器則作爲低端產品應用於一些攝像頭上,若有哪家攝像頭廠商生產的攝想頭使用CCD感應器,廠商一定會不遺餘力地以其作爲賣點大肆宣傳,甚至冠以“數碼相機”之名。一時間,是否具有CCD感應器變成了人們判斷數碼相機檔次的標準之一。

    CMOS影像傳感器的優點之一是電源消耗量比CCD低,CCD爲提供優異的影像品質,付出代價即是較高的電源消耗量,爲使電荷傳輸順暢,噪聲降低,需由高壓差改善傳輸效果。但CMOS影像傳感器將每一畫素的電荷轉換成電壓,讀取前便將其放大,利用3.3V的電源即可驅動,電源消耗量比CCD低。CMOS影像傳感器的另一優點,是與周邊電路的整合性高,可將ADC與訊號處理器整合在一起,使體積大幅縮小,例如,CMOS影像傳感器只需一組電源,CCD卻需三或四組電源,由於ADC與訊號處理器的製程與CCD不同,要縮小CCD套件的體積很困難。但目前CMOS影像傳感器首要解決的問題就是降低噪聲的產生,未來CMOS影像傳感器是否可以改變長久以來被CCD壓抑的宿命,往後技術的發展是重要關鍵。

發表評論
所有評論
還沒有人評論,想成為第一個評論的人麼? 請在上方評論欄輸入並且點擊發布.
相關文章