再来看看CMOS技术。今天的电脑技术之所以这么发展,归根到底,是因为半导体技术,特别是CMOS技术的进步造成的。我们用的CPU、内存、闪存还有其他许多器件,都是CMOS技术的。简单地说,CMOS的优点就是集成度高,生产成本低,省电。
表面上看,CMOS传感器和CCD传感器的构造很类似。感光阵列将光信号转换成电信号,然后通过CMOS电路输出。然而,有几个很大的不同:
1)CMOS在感光阵列的每个感光点上,都配置一个信号放大器和其他支持电路。这样做的好处是提高信号的抗干扰能力,坏处有两个:一是会形成“固定模式噪声”(Fixed Pattern Noise,FPN。待会儿还会谈到);二是这些放大器和支持电路会占用光能接收面积,降低传感器的接收灵敏度。
2)现代的CMOS传感器将模数转换电路ADC和其他支持电路就集成在芯片内。降低了系统的开发难度和制造成本,提高了可靠性。
3)CMOS使用单电源,单参考电压。降低了耗电,提高了系统的可靠性,减少了外围电路所产生的噪声干扰。
简单来说,CMOS传感器有效地解决或者改善了上面提到的CCD的1-6点的缺点。当然其中最重要的,就是大大降低了生产成本。
那么,CMOS的缺点是什么?
CMOS有两个最大的缺点需要克服:
1)固定模式噪声FPN。前面说了,CMOS传感器中,每个感光点都有一个信号放大器和其他支持电路。但是在半导体的生产过程中,形成的各个放大器的增益和带宽都有差别,因此同样亮度的两个像点,最后形成的数值会有差别。从整幅图片来说,就会有一个“固定的噪声图片”。比如一幅18%灰度的图片,最后出来的亮度各处并不相同。
但是既然噪声的模式是“固定”的,就有办法解决。最有效的办法是所谓“双采样”(double sampling)。也就是在相机快门关闭后,先用10毫秒将图像读出,然后将传感器复位后,再用10毫秒第二次采样,得到一幅噪声图案。将原图像减去噪声图像,就可以有效消除固定模式噪声了。这种方式对于消除相机的固定模式噪声特别有效。当然如果是摄像机,那就要复杂一些了。
2)CMOS传感器的第二个大问题,是灵敏度不如CCD传感器。对于CCD来说,整个传感器的面积都可以用来接收光信号。受光率(fill factor)可以接近100%。但是对于CMOS传感器来说,由于感光阵列的每个像点上,都要留出一部分面积来做信号放大器和支持电路,所以光电二极管不能做大。受光率(好像无忌上常用“开口率”这个词汇)要大大小于100%。几年前,CMOS的受光率惨到只有20%多。这样,就会大大降低传感器的灵敏度。
解决CMOS传感器天生灵敏度低的办法有两个:第一是随着半导体技术的发展,CMOS的线宽越来越小,在同样面积上能做的电路也越来越多。或者说,同样的电路,需要的面积越来越小。这样留给感光电路的面积也就越来越大,比例越来越高。比如K20D宣布的时候,说到三星的这块14MP的CMOS的受光率(开口率),就已经达到70%了。随着CMOS技术的快速发展,受光率还会进一步提高;第二就是采用“微透镜”(Micro Lens),将一个像点上的光能都聚合到光敏二极管“开口”的位置。这个许多泡菜都知道的,就不多说了。
CCD技术已经完全成熟,CMOS技术还在进步中。就图像质量而言,今天两者已经不相上下。即使有些区别,和后端的图像处理器相比,也是微不足道了。
CCD传感器经过30多年的发展,技术已经成熟。但是仍有三大问题需要解决:生产成本高、系统集成度差、耗电。
CMOS传感器可以解决CCD传感器的这三大问题。但是自己也有两大新问题:固定模式噪声、低灵敏度。其中固定模式噪声目前已有技术基本解决。而灵敏度的问题正在改善,还会继续改善。
从2010年写这个帖子,到现在,cmos传感器的最大进步,就是背照式技术的发展。
上面最后提到,和ccd传感器相比,cmos传感器的两个最大问题,是固定模式噪声和因为开口率或者受光率小而导致的灵敏度低。
随着背照式cmos传感器的发展,这两个问题都有根本性的解决了。