最近經常有網友咨詢CCD和CMOS到底有什么區別?買數碼相機是不是CCD比CMOS好?其實細心的網友只要隨意的在百度上收一下就會發現CCD和CMOS制作原理沒有本質的區別,CCD與CMOS孰優孰劣不能一概而論,但一般而言,普及型的數碼相機中使用CCD芯片的成像質量要好一些,因為CCD是集成在半導體單晶材料上,而CMOS是集成在被稱做金屬氧化物的半導體材料上,因為CMOS結構相對簡單,與現有的大規模集成電路生產工藝相同,從而生產成本可以降低。從原理上,CMOS的信號是以點為單位的電荷信號,而CCD是以行為單位的電流信號,前者更為敏感,速度也更快,更為省電。現在高級的CMOS并不比一般CCD差,但是CMOS工藝還不是十分成熟,普通的CMOS一般分辨率低而成像較差。
CCD介紹
CCD是由為數眾多的微小光電二極管及譯碼尋址電路構成的固態電子感光成像部件。光電二極管的排列方式有兩種。一種是平面陣列,多個光電二極管排列成一個平面,同時感受光信號(色彩、強度等),工作原理與傳統的膠卷相似,這種方式感光速度快,但造價高。另一種是條狀陣列,多個光電二極管排列成一條直線,逐行進行感光成像,并逐行把光信號傳輸到數碼相機的存儲介質中,工作原理與掃描儀相似。這種方式感光時間長,但工藝簡單,成像質量較高。
CMOS介紹
CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor),它的中文名稱是“互補性氧化金屬半導體”。主要是利用硅和鍺這兩種元素所做成的半導體,使其在CMOS上共存著帶N(帶-電)和 P(帶+電)級的半導體,這兩個互補效應所產生的電流即可被處理芯片紀錄和解讀成影像。同樣,CMOS的尺寸大小影響感光性能的效果,面積越大感光性能越好。CMOS的缺點就是太容易出現雜點, 這主要是因為早期的設計使CMOS在處理快速變化的影像時,由于電流變化過于頻繁而會產生過熱的現象。不過現在量產的高檔CMOS已經基本消除了此類問題。
對比:
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、制造成本、解析度、噪點與耗電量等,不同類型的差異:
ISO 感光度差異:由于 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的感光度會低于CCD。
成本差異:CMOS 應用半導體工業常用的 MOS制程,可以一次整合全部周邊設施于單晶片中,節省加工晶片所需負擔的成本 和良率的損失;相對地 CCD 采用電荷傳遞的方式輸出資訊,必須另辟傳輸通道,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,加上另辟傳輸通道和外加 ADC 等周邊,CCD的制造成本相對高于CMOS。
解析度差異:在第一點“感光度差異”中,由于 CCMOS 每個像素的結構比 CCD 復雜,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于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制造上的困難,特別是全片幅 24mm-by-36mm 這樣的大小。
噪點差異:由于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,那么就需要百萬個以上的 ADC 放大器,雖然是統一制造下的產品,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為主動式,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卻為被動式, 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 的電量遠高于CMOS。
CMOS與CCD的爭論由來已久,其感光器是數碼相機的核心,也是最關鍵的技術。目前數碼相機的感應器只有CCD感應器和CMOS感應器。到目前為止,市面上絕大多數的消費級別以及高端數碼相機都使用CCD作為感應器;CMOS感應器則作為低端產品應用于一些攝想頭和簡易電腦相機上,若有哪家攝像頭廠商生產的攝想頭使用CCD感應器,廠商一定會不遺余力地以其作為賣點大肆宣傳,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。來看看這兩種感光器的原理:CCD(Charge Coupled Device ,感光耦合組件),是一種可以記錄光線變化的半導體組件。由許多感光單位組成,通常以百萬像素為單位。當CCD表面受到光線照射時,每個感光單位會將電荷反映在組件上,所有的感光單位所產生的信號加在一起,就構成了一幅完整的畫面。CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor,互補性氧化金屬半導體)和CCD一樣同為在數字相機中可記錄光線變化的半導體。CMOS的制造技術和一般計算機芯片沒什么差別,主要是利用硅和鍺這兩種元素所做成的半導體,使其在CMOS上共存著帶N(帶 – 電) 和 P(帶 + 電)級的半導體,這兩個互補效應所產生的電流即可被處理芯片紀錄和解讀成影像。
盡管CCD在影像品質等各方面均優于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。由于數碼影像的需求熱烈,CMOS的低成本和穩定供貨,成為廠商的最愛,也因此其制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朝向耗電量減少作為改進目標,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,藉由后續的影像處理修正噪點以及畫質表現,目前的情況是,許多低檔入門型的數碼相機使用廉價的低檔CMOS芯片,成像質量比較差。普及型、高級型及專業型數碼相機使用不同檔次的CCD,個別專業型或準專業型數碼相機使用高級的CMOS芯片。代表成像技術X3芯片實際也是一種CMOS芯片。CCD可以說是近幾年來壟斷了整個消費DC市場,不過也正因為CCD天生的限制,使得DC很難實現全像素高速連拍和1080p攝錄;CMOS技術這幾年得到長足的發展,畫質和控噪得到大幅提升,同時也具備了高速連拍的能力,而隨著尼康、索尼開始在單反上使用CMOS,也說明了CMOS的技術正在得到認可。
說到底CCD與CMOS孰優孰劣不能一概而論,但一般而言,普及型的數碼相機中使用CCD芯片的成像質量要好一些。