感光器件CCD，CMOS 的概念及工作原理

938fg8

感光器件的概念及工作原理

CCD
CCD（Charge Coupled Device）电荷藕合器件图像传感器，它使用一种高感光度的半导体材料制成，能把光线转变成电荷，通过模数转换器芯片转换成数字信号，数字信号经过压缩以后由相机内部的闪速存储器或内置硬盘卡保存，因而可以轻而易举地把数据传输给计算机，并借助于计算机的处理手段，根据需要和想像来修改图像。CCD由许多感光单位组成，通常以百万像素为单位。当CCD表面受到光线照射时，每个感光单位会将电荷反映在组件上，所有的感光单位所产生的信号加在一起，就构成了一幅完整的画面。

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 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。目前有能力生产 CCD 的公司分别为：SONY、Philips、Kodak、Matsushita、Fuji和Sharp，大半是日本厂商。

目前主要有两种类型的CCD光敏元件，分别是线性CCD和矩阵性CCD。
线性CCD用于高分辨率的静态照相机，它每次只拍摄图象的一条线，这与平板扫描仪扫描照片的方法相同。这种CCD精度高，速度慢，无法用来拍摄移动的物体，也无法使用闪光灯。

矩阵式CCD，它的每一个光敏元件代表图象中的一个像素，当快门打开时，整个图象一次同时曝光。
在记录照片的过程中，相机内部的微处理器从每个像素获得信号，将相邻的四个点合成为一个像素点。该方法允许瞬间曝光，微处理器能运算地非常快。这就是大多数数码相机CCD的成像原理。因为不是同点合成，其中包含着数学计算，因此这种CCD最大的缺陷是所产生的图象总是无法达到如刀刻般的锐利。

CMOS
互补性氧化金属半导体CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）和CCD一样同为在数码相机中可记录光线变化的半导体。CMOS的制造技术和一般计算机芯片没什么差别，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芯片纪录和解读成影像。然而，CMOS的缺点就是太容易出现杂点, 这主要是因为早期的设计使CMOS在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。

除了CCD和CMOS之外，还有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。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。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。SUPER CCD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。


小结：
由两种感光器件的工作原理可以看出，CCD的优势在于成像质量好，但是由于制造工艺复杂，只有少数的厂商能够掌握，所以导致制造成本居高不下，特别是大型CCD，价格非常高昂。在相同分辨率下，CMOS价格比CCD便宜，但是CMOS器件产生的图像质量相比CCD来说要低一些。
   
CMOS针对CCD最主要的优势就是非常省电，不像由二极管组成的CCD，CMOS 电路几乎没有静态电量消耗，只有在电路接通时才有电量的消耗。这就使得CMOS的耗电量只有普通CCD的1/3左右，这有助于改善人们心目中数码相机是"电老虎"的不良印象。CMOS主要问题是在处理快速变化的影像时，由于电流变化过于频繁而过热。暗电流抑制得好就问题不大，如果抑制得不好就十分容易出现杂点。

此外，CMOS与CCD的图像数据扫描方法有很大的差别。例如，如果分辨率为300万像素，那么CCD传感器可连续扫描300万个电荷，扫描的方法非常简单，就好像把水桶从一个人传给另一个人，并且只有在最后一个数据扫描完成之后才能将信号放大。

CMOS传感器的每个像素都有一个将电荷转化为电子信号的放大器。因此，CMOS传感器可以在每个像素基础上进行信号放大，采用这种方法可节省任何无效的传输操作，所以只需少量能量消耗就可以进行快速数据扫描，同时噪音也有所降低。这就是佳能的像素内电荷完全转送技术。

avalokist

938拷来的资料太老了吧？SuperCCD好象富士自己都不玩了．这种骗局CCD像素全是插值捏造的，没有推广价值．反而sigma用的X3, 应该介绍下．

没细看，先指出一个基本错误，CCD是一个感光元件对应图像的一个点，而不是四个合一个．这四个分别是绿绿红蓝，精确的说，每个像素感应该点的明度信息，但该像素的色彩信息则是通过相邻像素的值计算出来的．

CMOS的成像一般特点是高感好，图像传输快，但画面锐度低，色彩不够鲜艳．
CCD的特点是速度慢一些，但色彩鲜艳，对比度大，画面清晰锐利．

还有一点，数码单反进入了摄像时代

现在的单反摄像，有如下一些毛病，
码率压缩大，后期处理余地小，AF超弱，

更严重的是有一个CMOS的先天致命伤，

果冻现象．

用5D Mii的某某某可以试一下拍摄时快速左右晃动，会发现画面象软体动物左右甩过去．上下的话则会一跳一跳的．

这是因为CMOS的画像扫描方式造成的．CCD就不会有此现象发生．

等待索尼CCD摄像单反的诞生．

[ 本帖最后由 avalokist 于 2009-10-1 21:24 编辑 ]

怕冷的花

原帖由 avalokist 于 2009-10-1 17:56 发表
果冻现象．

学着做好学生。。。

什么叫果冻现象啊？

938fg8

发这个帖子的时候我就想砖头是不是会来看。
谢谢砖头的纠正和补充。

我的理解是，CCD好是好，就是巨贵，CMOS经济实惠。
而且这些都是物理特性的比较，就画质而言到人眼观察级别应该相差不是很大。

fukuyama

印象中 SUPER CCD是六边形的蜂窝状结构排列
8边型。。。。。。
很喜欢富士相机的色彩