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  banguijiu 2013-06-13 00:00:00

  CCD成像要比CMOS成像好

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  miseryhrawi 2013-06-13 00:00:00

  CCD技術(shù)與CMOS技術(shù)的概念與區(qū)別 　　CCD（The Charged Coupled Device即電荷耦合器件)是Z常用的感光器件，被廣泛應(yīng)用于掃描儀、數(shù)碼相機(jī)、數(shù)碼攝像機(jī)等產(chǎn)品。CCD器件通過光電效應(yīng)收集電荷，每行像素的電荷隨時(shí)鐘信號(hào)被送到模擬移位寄存器上，然后串行轉(zhuǎn)換為電壓。大多數(shù)硅片面積用于光線的收集，光線收集得越多釋放的電荷越多。在設(shè)計(jì)中，CCD器件要有極高的信噪比、感光靈敏度和良好的動(dòng)態(tài)范圍。要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，需要專門處理器、高電壓、多重電源和偏置以及像素點(diǎn)的緊密排列，以構(gòu)成高分辨率的陣列。CCD生產(chǎn)過程復(fù)雜、產(chǎn)量低、成品率底，導(dǎo)致了高成本，因此CCD器件十分昂貴。 　　CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor，即互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)器件是一種可大規(guī)模生產(chǎn)的集成電路，具有成品率高、價(jià)格低等特點(diǎn)，相對(duì)于CCD而言，CMOS器件技術(shù)有一些明顯的特點(diǎn)： 1、集成度高 　　CMOS器件幾乎可以將相機(jī)所需的全部捕獲功能集成到一塊芯片上， 因?yàn)镃MOS器件成像元件尺寸更小，可以有更多地方放置電路，它甚至可以將模數(shù)轉(zhuǎn)換控制芯片集成在一起，圖像數(shù)據(jù)不必在迷宮般的電路中被傳來(lái)送去，因此極大地提高了捕獲速度。而且CMOS器件更加省電，其功耗僅相當(dāng)于CCD的1/8。 　　2、有價(jià)格優(yōu)廉 　　CMOS器件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，從而成品率高，制造成本低。這樣CMOS器件價(jià)格上就比CCD有了優(yōu)勢(shì)。當(dāng)前只有索尼、富士等五家大公司能生產(chǎn)CCD。但是，對(duì)于CMOS器件，任何有0.35微米技術(shù)的企業(yè)都可生產(chǎn)，競(jìng)爭(zhēng)將使價(jià)格下降。目前30萬(wàn)像素的CMOS傳感器已降到20美元左右，比CCD便宜，而在像素市場(chǎng)上，價(jià)格也將很快會(huì)降下來(lái)。 　　3、相對(duì)的缺點(diǎn) 　　相對(duì)于CCD器件來(lái)說，CMOS器件也有它的缺點(diǎn)，對(duì)光線的靈敏度不好，信噪比也很低，這導(dǎo)致了其在成像質(zhì)量上難以與CCD抗衡。但新的CMOS器件不斷推陳出新，高動(dòng)態(tài)范圍CMOS器件已經(jīng)出現(xiàn)，這一技術(shù)消除了對(duì)快門、光圈、自動(dòng)增益控制及伽瑪校正的需要，還有的技術(shù)在每一像素上放一個(gè)ADC，降低了噪聲。主動(dòng)像素傳感器(APS)技術(shù)提高了信噪比和影像效率，并接近了CCD的成像質(zhì)量。當(dāng)然，CMOS器件目前還不能在高端數(shù)碼相機(jī)上與CCD競(jìng)爭(zhēng)。但是在消費(fèi)級(jí)數(shù)碼相機(jī)市場(chǎng)上，CMOS器件已經(jīng)開始成熟，并且將在未來(lái)數(shù)年內(nèi)成為數(shù)碼相機(jī)低端市場(chǎng)的主導(dǎo)技術(shù)。 CCD技術(shù)：保證影像杰出 　　CCD（Charge Coupled Device）--電荷耦合器件，是由美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室于1969年發(fā)明的。和PMT（Photo Multiplier Tube）--光學(xué)倍增管一樣，它們都是很成功的電子影像感應(yīng)器，又稱為光學(xué)感應(yīng)器。CCD與PMT現(xiàn)已廣泛應(yīng)用在諸多科學(xué)產(chǎn)品上，如傳真機(jī)、 掃描儀、天文望遠(yuǎn)鏡等。而CCD則更多地應(yīng)用于數(shù)碼相機(jī)、攝像機(jī)等一些小型化的產(chǎn)品上。傳統(tǒng)CCD的工作原理就像一臺(tái)復(fù)印機(jī)，利用高亮度的光源，將稿件依次經(jīng)過反射鏡、投射鏡和分光鏡，反射在CCD元件上。CCD的結(jié)構(gòu)可以形象比喻為一個(gè)正在旋轉(zhuǎn)的巨大的走馬燈，燈上并排排列著許多窗口，按照一定的順序，測(cè)量某一時(shí)間段內(nèi)從每個(gè)窗口進(jìn)入的光。早期的CCD基本上是隔行掃描的，所以圖像精度不高?，F(xiàn)在一般都是逐行掃描，從而保證了較高的分辨率。CCD體積雖只有大小，卻非常耐用。 　　采用CCD技術(shù)的傳感器總體分為兩大類，分別是通用型CCD傳感器和特殊型CCD傳感器。 　　硅片與專業(yè)大尺寸CCD傳感器組件 　　通用型CCD傳感器，在CCD攝像機(jī)方面有了較大的發(fā)展。Z初CCD攝像機(jī)的工作電壓，有+24V、+22V、+12V和+5V等多種。隨著計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高速發(fā)展，為與PC攝像機(jī)和網(wǎng)絡(luò)圖形傳輸相配合，現(xiàn)在一般分為+12V與+5V兩種工作電壓，其中通用工作電壓為+12V。為了降低CCD攝像機(jī)的成本，并且提高質(zhì)量，現(xiàn)在許多生產(chǎn)廠家都在致力于CCD攝像機(jī)的小型化和數(shù)字化。多層板多芯片集成模塊化的制造技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了CCD攝像機(jī)的小型化。而DSP數(shù)字化處理替代模擬系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，也使CCD攝像機(jī)的數(shù)字化成為現(xiàn)實(shí)。同時(shí)CCD攝像機(jī)的產(chǎn)品也日趨多樣化，如家庭攝錄一體機(jī)、電視電話、掃描儀、PDA、數(shù)碼單反相機(jī)(DSC)等都在逐漸為人們所熟知。特殊型CCD傳感器的主要產(chǎn)品有電子轟擊式CCD和EBCD等。 　　CCD應(yīng)用：保證性能穩(wěn)定 　　伴隨著計(jì)算機(jī)的廣泛普及，PC攝像頭作為計(jì)算機(jī)的圖像輸入系統(tǒng)，也在飛速進(jìn)入各個(gè)家庭。而且借助網(wǎng)絡(luò)，也能實(shí)現(xiàn)視頻及音頻的同步通訊。 　　掃描儀技術(shù)的迅猛發(fā)展，使得掃描儀的性能日趨優(yōu)化，但價(jià)格卻越來(lái)越低，使掃描儀真正進(jìn)入了尋常百姓的家庭。越來(lái)越多的用戶在購(gòu)買計(jì)算機(jī)的時(shí)候，將掃描儀作為標(biāo)準(zhǔn)配置。掃描儀的廣泛使用，提高了各種資料和圖表的輸入速度，通過互聯(lián)網(wǎng)也實(shí)現(xiàn)了資料的共享。 　　數(shù)碼單反相機(jī)作為近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的新產(chǎn)品， 是一種新型圖像捕捉設(shè)備。數(shù)碼相機(jī)使用CCD光敏器件代替膠卷感光成像，其原理就是CCD元件的光電效應(yīng)。在數(shù)碼相機(jī)中，當(dāng)光線透過鏡頭傳送到CCD后，CCD會(huì)將其轉(zhuǎn)換為電子信號(hào)，再由A/D轉(zhuǎn)換器變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，傳到DSP上，Z后存儲(chǔ)于記錄媒體中。這其中，CCD起了非常重要的作用。CCD是數(shù)碼相機(jī)的核心部件，也是其中Z昂貴的部件，因?yàn)镃CD的成本決定了數(shù)碼相機(jī)的價(jià)格。而光敏器件中CCD元件的數(shù)量，決定了數(shù)碼相機(jī)的關(guān)鍵性能--分辨率。不同品牌的數(shù)碼相機(jī)在技術(shù)上存在許多差異，如索尼、富士、奧林巴斯等均有不同的表現(xiàn)。 　　高清晰的數(shù)碼相機(jī)，不斷需要CCD有更多并且更小的像素點(diǎn)。鑒于此，索尼已開發(fā)1/2英寸光學(xué)系統(tǒng)的隔行CCD，以期達(dá)到業(yè)界Z高水準(zhǔn)的性能。同時(shí)用戶也對(duì)CCD的分辨率、感光度（ISO）、信噪比等提出了更高的要求。正是在這種環(huán)境下，富士膠片公司推出了其獨(dú)自研發(fā)的新型CCD--"超級(jí)"CCD。 　　從70年代發(fā)明了CCD到現(xiàn)今，隨著技術(shù)的發(fā)展，CCD已經(jīng)由Z初的隔行掃描，分辨率低，圖像精度不高，發(fā)展到現(xiàn)在的逐行掃描，分辨率達(dá)到1200dpi，甚至可以達(dá)到3000 dpi。而且，色彩還原日漸豐富，圖像精度不斷提高。應(yīng)用CCD技術(shù)的相關(guān)產(chǎn)品也在快速發(fā)展。現(xiàn)在，大部分影像產(chǎn)品都采用CCD技術(shù)，這也從側(cè)面反映它在日漸完善和成熟。 CCD技術(shù)的新發(fā)展——超級(jí)CCD技術(shù) 　　原則上，CCD精度越高，拍攝精度越高。同時(shí)它也是劃分?jǐn)?shù)碼相機(jī)檔次的核心標(biāo)準(zhǔn)。傳統(tǒng)的CCD技術(shù)采用矩形光敏器件橫豎規(guī)則排列的方式，在保持一定靈敏度和信噪比的前提下，如果要提高分辨率只能再增加CCD的面積，將造成數(shù)碼相機(jī)制造成本的急劇上升。于是富士公司便開始在CCD的技術(shù)上下功夫。 　　富士的工程師發(fā)現(xiàn)，在我們的眼睛里，光線通過角膜和晶狀體在視網(wǎng)膜上形成影像，影像被轉(zhuǎn)化為神經(jīng)信號(hào)后，經(jīng)視神經(jīng)傳送到大腦。當(dāng)大腦識(shí)別了這些信息，我們就稱之為視覺。數(shù)碼相機(jī)的光學(xué)系統(tǒng)與人眼的結(jié)構(gòu)十分相似，鏡頭的作用就像眼球，CCD就像視網(wǎng)膜，而LSI信號(hào)處理器起著大腦的作用。受此啟發(fā)，研究人員對(duì)人眼視網(wǎng)膜的空間解像力特性進(jìn)行了反復(fù)研究，Z終產(chǎn)生了超級(jí)CCD技術(shù)。我們來(lái)看看超級(jí)CCD技術(shù)的特點(diǎn)。 　　提高了感光度、信噪比和動(dòng)態(tài)范圍 傳統(tǒng)CCD里的每個(gè)像素都是由一個(gè)光電二極管、一個(gè)控制信號(hào)通路和一個(gè)電荷傳輸通路組成。由于光電二極管是矩形的，其尺寸受到限制。制造商們盡管不斷地增加像素以提高影像質(zhì)量，同時(shí)縮小了像素和光電二極管面積，但光吸收的低效率成為提高感光度、信噪比和動(dòng)態(tài)范圍的另一個(gè)障礙，每個(gè)光電二極管都是矩形，而其上面的微透鏡則是圓形的———不同的形狀必然會(huì)降低光吸收效率。 　　超級(jí)CCD采用了一個(gè)較好的解決方法：它的像素都按45°角排列以形成一個(gè)蜂窩的圖形。控制信號(hào)通路被取消了，為光電二極管留出更多的空間。光電二極管是八角形的，非常接近微透鏡的圓形，因此可以更有效地吸收光。超級(jí)CCD把無(wú)助于影像記錄的空間減少到Z低限度，集光效率大大提高，感光度和信噪比也得到提高，動(dòng)態(tài)范圍得以擴(kuò)大。 　　水平和垂直分辨率得到提高 對(duì)人類視覺的全面研究表明，圖像信息的空間頻率功率都聚集在水平和垂直軸上，Z低的功率在45°對(duì)角線上，這個(gè)效應(yīng)是由地心引力以及其他因素造成的。這與影像傳感器的Z終效果有著明確的關(guān)系———水平軸和垂直軸上是提高分辨率的關(guān)鍵，而對(duì)角線上高頻特性的損失對(duì)影像質(zhì)量幾乎沒有影響。 　　這就是超級(jí)CCD的設(shè)計(jì)思想——把處于45°角的像素以蜂窩形式排列。除提高封裝密度外，還提高了水平及垂直分辨率，因此它更符合人類視覺的特點(diǎn)。另一個(gè)重要因素是有一個(gè)專為蜂窩形結(jié)構(gòu)開發(fā)的LSI信號(hào)處理器。超級(jí)CCD和新的信號(hào)處理器一起工作，把有效分辨率在原先的水平上提高60％。這就是說只有190萬(wàn)像素的超級(jí)CCD，其性能就相當(dāng)于有300萬(wàn)像素的普通CCD。 　　水平跳躍讀出 　雖然跳躍讀出像素會(huì)大大降低視頻圖像質(zhì)量，但由于豎直線條讀出速度太慢，傳統(tǒng)CCD還必須在視頻輸出時(shí)采用跳躍讀出方式。而且傳統(tǒng)CCD水平方向的像素中只有兩種顏色，必須讀出兩行數(shù)據(jù)才能形成彩色。超級(jí)CCD每行像素中則包含RGB三種顏色，除了以1/2或其他比率進(jìn)行垂直跳躍讀出外，還可以進(jìn)行水平1／3跳躍讀出，可以獲得高質(zhì)量的30幀／秒視頻輸出。 　　簡(jiǎn)單的電子快門 傳統(tǒng)CCD中，為了防止相鄰像素間的電荷混淆，需要三層聚合物涂層來(lái)分隔每個(gè)像素單元，這種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)制造起來(lái)會(huì)很困難。因此，通常都是用機(jī)械快門來(lái)代替分隔結(jié)構(gòu)，分兩次讀出像素的數(shù)據(jù)。而超級(jí)CCD的電荷通道更加寬闊，能夠高速傳輸數(shù)據(jù)，因此所有像素的數(shù)據(jù)可以一次讀出，只要簡(jiǎn)單的電子快門就夠了。它具有進(jìn)行快速精確連續(xù)拍攝的潛能。 　　我們可以通過下面列舉的數(shù)據(jù)來(lái)證明超級(jí)CCD技術(shù)在數(shù)字影像技術(shù)方面的發(fā)展：分辨率，與新的LSI信號(hào)處理器一起工作，超級(jí)CCD的有效分辨率比普通CCD高60％；感光度、信噪比、動(dòng)態(tài)范圍，加大的光電二極管和效率更高的光吸收性能，使這些指標(biāo)在300萬(wàn)像素時(shí)提高了130％，而且高光部分層次更加豐富；彩色還原，由于信噪比提高，并且有了專為蜂窩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的LSI信號(hào)處理器，彩色還原能力提高了50％。 　　超級(jí)CCD給數(shù)碼影響的發(fā)展和普及帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。首推這項(xiàng)技術(shù)的富士公司更是不遺余力將超級(jí)CCD技術(shù)應(yīng)用Z新的產(chǎn)品上。目前，富士公司已經(jīng)推出了第二代超級(jí)CCD傳感器，在Z新推出的FinePix 6800 zoom上就應(yīng)用了這塊芯片。它具有330萬(wàn)像素傳感器，Z高可以獲得2832×2128像素的圖像文件。FP6800擁有3倍光學(xué)變焦的超級(jí)EBC非球面鏡頭。它同時(shí)具有攝像頭、視頻錄像功能，能捕獲長(zhǎng)達(dá)160秒的AVI視頻畫面，還可以作為數(shù)碼錄音機(jī)錄制60分鐘的音頻。 CCD技術(shù)：面臨眾多挑戰(zhàn) 　　隨著CCD技術(shù)的不斷提高，近年來(lái)提出了一種超級(jí)CCD技術(shù)。超級(jí)CCD技術(shù)與普通CCD技術(shù)的關(guān)鍵區(qū)別是，普通CCD技術(shù)采用的是普通的矩型光電二極管，而超級(jí)CCD技術(shù)使用的是八角形光電二極管，且采用了像素的45°蜂窩式排列。八角形光電二極管因其更接近微透的圓形，從而具有更有效的吸收光。光電二極管的加大和光吸收效率的提高，使CCD的感光度有了大幅的提高，所以超級(jí)CCD技術(shù)比普通CCD技術(shù)更具有優(yōu)勢(shì)。 　　PMT（Photo Multiplier Tube）——光學(xué)倍增管是Z早出現(xiàn)的電子感應(yīng)器。它內(nèi)置多個(gè)電極，將進(jìn)入的光線轉(zhuǎn)化為強(qiáng)大的電子訊號(hào)。PMT經(jīng)常應(yīng)用于出版行業(yè)的掃描儀和其他行業(yè)的分析儀上。 　　CMOS技術(shù)于1998年后開始應(yīng)用在電子感應(yīng)器及數(shù)碼相機(jī)領(lǐng)域。diyi代的CMOS原理相對(duì)簡(jiǎn)單，品質(zhì)也較低。2000年5月，美國(guó)Omnivision公司推出了Z新的CMOS芯片。新一代的CMOS芯片靈敏度、信噪比、動(dòng)態(tài)范圍等主要性能指標(biāo)，均比diyi代芯片有顯著提高。CMOS價(jià)格低廉，外圍電路簡(jiǎn)單，因此許多業(yè)內(nèi)人士推測(cè)，CMOS取代CCD的時(shí)代不遠(yuǎn)了。 　　CIS接觸式圖像傳感器則是另外一種光電轉(zhuǎn)換器件。它采用發(fā)光二極管作為光源和感光元件，直接接觸在稿件表面讀取圖像數(shù)據(jù)。CIS結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通常只用于掃描儀。 　　PMT、CCD、CMOS、CIS是目前Z流行的電子感光元件。隨著其他三種技術(shù)的日臻完善，CCD會(huì)在圖像成像領(lǐng)域受到更大的挑戰(zhàn)。

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