CCD与CMOS影像感光元件结构透视与分析

2008-08-25 16:38:08来源: 52RD手机研发 关键字:ccd  cmos  影像  感光  感光元件

      CCD 和 CMOS 感光元件的区别 Mr.OH! 在第二讲中概略地介绍了 CCD 与 CMOS,但对于大多数的同学来说,看得到的却是一颗颗已经整合好的晶片组合!内部详细的结构,以及到底是如何运作产生我们看到的一幅幅数位照片,且我们撇开复杂的技术文字,透过图片比较,来看这两种不同类型,作用却又相同的影像感光元件.

       Olympus E1 CCD 感光套件(包含超音波除尘器)  放大器位置和数量 比较 CCD 和 CMOS 的结构,放大器的位置和数量是最大的不同之处,Mr.OH! 会在下一讲 CCD 感光元件工作原理(上),提及完整的感光元件作业流程。此讲中,Mr.OH!简单地解释: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,即进行画素转移处理,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 旁的放大器进行放大,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的比较 

       由于构造上的基本差异,我们可以表列出两者在性能上的表现之不同。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的制程较简单,没有专属通道的设计,因此必须先行放大再整合各个画素的资料。 

 

      CCD 与 CMOS 电路结构之完整比较(摘录自 SHARP 月刊) 差异分析 整体来说,CCD 与 CMOS 两种设计的应用,反应在成像效果上,形成包括 ISO 感光度、制造成本、解析度、杂讯与耗电量等,不同类型的差异: 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表面积,因此在 相同画素下,同样大小之感光器尺寸,CMOS的感光度会低于CCD。  成本差异: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,节省加工晶片所需负担的成本 和良率的损失;相对地 CCD 采用电荷传递的方式输出资讯,必须另辟传输通道,如果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,加上另辟传输通道和外加 ADC 等周边,CCD的制造成本相对高于CMOS。  解析度差异:在第一点『感光度差异』中,由于 CMOS 每个画素的结构比 CCD 复杂,其感光开口不及CCD大, 相对比较相同尺寸的CCD与CMOS感光器时,CCD感光器的解析度通常会优于CMOS。不过,如果跳脱尺寸限制,目前业界的CMOS 感光原件已经可达到1400万 画素 / 全片幅的设计,CMOS 技术在量率上的优势可以克服大尺寸感光原件制造上的困难,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,如果以百万画素计,那么就需要百万个以上的 ADC 放大器,虽然是统一制造下的产品,但是每个放大器或多或少都有些微的差异存在,很难达到放大同步的效果,对比单一个放大器的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, 必须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 还必须要有更精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。 其他差异:IPA(Indiviual Pixel Addressing)常被使用在数位变焦放大之中,CMOS 必须仰赖 x,y 画面定位放大处理,否则由于个别画素放大器之误差,容易产生画面不平整的问题。制造机具上,CCD 必须特别订制的机台才能制造,也因此生产高画素的 CCD 元件产生不出日本和美国,CMOS 的生产一般记忆体/处理器机台即可担负。 

      

       Fill Factor CMOS 开创新未来   CMOS 完整 3D透视 与 平面结构,位于最上层的为 MicroLens 微型聚光镜片 尽管 CCD 在影像品质等各方面均优于CMOS,但不可否认的CMOS具有低成本、低耗电以及高整合度的特性。 由于数位影像的需求热烈,CMOS的低成本和稳定供货,成为厂商的最爱,也因此其制造技术不断地改良更新,使得 CCD 与 CMOS 两者的差异逐渐缩小 。新一代的CCD朝向耗电量减少作为改进目标,以期进入照相手机的行动通讯市场;CMOS系列,则开始朝向大尺寸面积与高速影像处理晶片统合,藉由后续的影像处理修正杂讯以及画质表现, 特别是 Canon 系列的 EOS D30 、EOS 300D 的成功,足见高速影像处理晶片已经可以胜任高画素 CMOS 所产生的影像处理时间与能力的缩短;另外,大尺寸全片幅则以 Kodak DCS Pro14n、DCS Pro/n、DCS Pro/c 这一系列的数位机身为号召,CMOS未来跨足高阶的影像市场产品,前景可期。

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编辑:孙树宾 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/afdz/2008/0825/article_1054.html
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