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硬货|图像传感器大PK:CCD和CMOS谁更强

无忌论坛
老派
Yuri小白
2016-08-18

   数码单反相机的图像传感器早年用CCD,如今大部分都CMOS化了。关于CCD和CMOS谁好谁差的问题,坛子里有许多争论。对于广大摄友来说,这是件好事。

 

  俺作为一个EE和IT老民工,试着写这帖子,尽量用通俗的语言介绍这两种技术的大概其,各自的优缺点,以及发展的情况。

 

  首先,图像传感器的功能就是把光能转换成电信号,数字化后形成数字图像。不管是以CCD技术还是以CMOS技术实现,都是完成这个功能。

 

  ccd样片 by Pentax K100d+FA77/1.8

 

  CCD和CMOS这两个专业术语,并不是专指图像传感器(image sensor)的,而是两种半导体技术的通称。CCD(Charge Coupled Device)翻译成“电荷耦合器件”,CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)翻译成“互补金属氧化物半导体”。不管是CCD还是CMOS,实现光电转换的多是利用硅的特性在半导体上形成“光电二极管”(photodiode)。(当然也有CCD使用多晶硅polysilicon)。这和太阳能电池的原理是一样的。

 

  CCD和CMOS技术大概都在60年代末、70年代初成型。发明CCD的初衷是为了进行数据存储。但是这一功能为后来的CMOS和磁介质所完全取代了。可是CCD并没有死亡,而是在影像记录方面大放异彩。从70年代开始,CCD就使用在录像机等产品中。80年代,CCD又开始被最早的数码相机所使用。而CCD传感器的许多影响画质的缺点也被逐一克服。30年来,CCD图像传感器已经完全成熟。

 

  技术上来说,CCD是由感光阵列将光能信号转化为电荷,然后一行一行地将电荷“移送”到统一的电路上,转换为电压信号,送出传感器芯片,输出到独立的模数转换器ADC上。ADC再将转换好的数字图像信号交给相机的图像处理器。

 

  cmos样片 by Canon EOS450d+YC P85/1.4

 

  CCD的优点主要是:传感器设计简单、灵敏度高、画质优秀、技术成熟。

 

  但是CCD技术不是没有缺点的。大致总结来说,有这么几个问题:

 

  1)最大的问题是生产成本。由于CCD不能使用主流的CMOS生产线,而生产量又不是那么大,因此生产成本无法大规模地降下来。

 

  2)CCD传感器需要另外配合的ADC、放大器、以及其他支持模块才能使用。这样一来,一是增加了开发和制造成本;二是芯片外过多的模拟电路会引进噪声,进而影响图像质量;三是降低了相机的可靠性。

 

  3)耗电。这个地球人都知道。不多说了。与耗电有关联的还有需要多个芯片外提供的参考电压。增加参考电压会增加系统的复杂性,降低可靠性,并且容易引进额外的噪声而影响画质。

 

  4)读取速度。由于所有的电荷都要通过统一的电路转换并输出,因此CCD传感器的读取速度比较慢。当然新一代的CCD在这方面有改善,但是是以牺牲灵敏度为代价的。

 

  5)CCD传感器固有的blooming现象。就是当光能比较强的时候,电荷会“溢出”而散布(spread)到附近的像素上。(俺估计过去索尼CCD的红色溢出问题就是这个没有处理好。)

 

  6)CCD电荷衰减(fading)问题。由于CCD中获取的电荷是以耦合移位(这也是CCD这名字的来源)的方式一行一行输出的,因此在输出过程中,电荷会衰减。进而造成图像噪声。

 

  这些大概就是CCD的弱点。虽然厂商以各种方式克服,但是问题并没有完全解决。

 

论坛原地址:图像传感器的PK,CCD和CMOS,谁好?谁差?哪里好?哪里差?

 

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