认清数码照相机的感光传感器-CCDCMOS

杨 屹

[摘要]数码相机以其灵活的存贮、传输、后期制作优势和逐渐降低的价格,愈加受到广大摄影爱好者的青睐。可关于其核心技术:感光传感器-CCD、CMOS却知之不多,从而缺乏对数码相机较深刻的认识。将从图像感光材料发展史、基本感光原理、技术性能对比、实践应用以及发展趋势的层面简要阐述CCD、CMOS。

[关键词]CCD、CMOS、像素

中图分类号:TB84文献标识码:A文章编号:1671-7597(2009)1220017-01

摄影史上每一次摄影感光材料的革新都会推动摄影技术、摄影器材的重大变革,有时甚至是天翻地覆的根本变革。

从1816年,法国军人尼普斯(N Niepce)开始第一次摄影试验,到1837年5月,法国物理学家达盖尔(L Daguerre)正式发明摄影术,乃至1839年,他发明的全世界第一台照相机,至今已有一百多年的历史了[1]。在摄影技术发展的历史进程中,先后经历了银板、湿版、干版,直到1880年前后,英国人理查德·里奇·迈多克斯用溴化银制成底片。其中溴化银胶片的诞生,在摄影史上具有划时代的意义。现在传统照相机依然沿用溴化银胶片作为感光材料。

1969年美国贝尔实验室发明了CCD[2],1991年第一款CCD商用数码相机面市[3],之后又研制出了CMOS。数码相机的问世短短十几年,就从根本上动摇了传统相机在摄影领域一百多年的统治地位,并将以其勃勃生机续写出摄影史上更加光辉灿烂的新乐章。

一、简介CCD、CMOS

CCD和CMOS都是一种能将光信号转变为电信号的半导体器件。利用这个特性,将它们替代传统相机中的溴化银胶片,成为数码相机的感光传感器。CCD和CMOS工作原理没有本质的区别,都是利用光电二极管(photodio

de)进行光电转换。根据入射光的强度与光电二极管产生电荷量成正比的原理,被摄景物经过相机镜头的接收汇聚,将清晰的具有明暗强弱的光影像投射到CCD或CMOS表面,经光电转换后,形成了“电荷图像”。再经过一系列图像处理,模数转换,最终形成一定格式的数字图像文件储存在存储卡中。但是,CCD、CMOS芯片结构、生产工艺不同。

CCD(Charge Coupled Device)即电荷耦合元件,是一种感光半导体芯片,被集成在半导体单晶材料上。每一个CCD芯片都是用大规模集成电路技术制作出的,内嵌数十成百上千万个光敏电容(即光电二极管),每一个光敏电容构成一个感光单元,即一个像素。CCD感光后将每行的每个像素中的电荷依序逐一转移到专门的缓冲器中,再转输到数据放大器和模数转换器中集中数据处理,最终形成数字图像数据。

CMOS(Complementary MetalOxide Semiconductor)即互补性氧化金属半导体。也是一种感光半导体芯片,它的每个单元电路中包含两个互补的晶体管:N型金属氧化物半导体晶体管(NMOS)和P型金属氧化物半导体晶体管(PMOS)。同样,CMOS也是由数以百万的像素构成。区别于CCD,CMOS的每一个像素由一个光敏电容(即光电二极管)和四个晶体管构成,感光后每个像素都独立具有信号放大和模数转换电路,能直接形成数字信息。从每个像素传输出来的数字信息,最后集中汇聚处理,形成完整的数字图像文件。

二、对比CCD、CMOS

1.CCD感光后形成的电荷需要在时钟控制电路的控制下一位一位地先转移到缓冲区后一次性读出,而且驱动电路、模拟、数字处理电路未集成到同一芯片上,速度较慢;CMOS系统集成度高,感光后生成数字图像数据速度比CCD快很多。

2.CCD电路的设计决定了数据不失真,图像的低噪声;CMOS电路设计,每个像素都有一个放大电路,放大电路属于模拟电路,有数以百万的模拟电路,不可避免地产生更多的噪点。

3.CCD每个像素感光面积大,感光度高,图像质量好;CMOS每个像素中光电二极管周围多个附加元件相对缩小了像素的感光表面积。因此,相同面积的两种感光半导体,CMOS的感光度低于CCD,图像色彩、饱和度自然不及CCD。

4.CCD被动式数据采集,需要外接电压,耗电量大,减少了数码相机电池的寿命;CMOS主动式图像采集,每个像素电信号自动放大、转换、输出,耗电量相对CCD小很多。

5.CCD生产工艺、技术标准高,成品率低,成本高于CMOS;CMOS是目前用于生产各种计算机芯片的成熟半导体集成电路工艺。其它周边电路很容易被集成在一起,成本较低。

三、识别CCD和CMOS的真实尺寸

相同类型的感光传感器尺寸大小决定分辨率、像素数、成像质量和价格级别。但在实践中,数码相机说明书中注明的技术参数普通用户往往不理解,也不清楚用什么作为参照标准,较难准确判断相机的性价比。

下面,就如何识别CCD和CMOS的真实尺寸作如下说明。

数码相机是在传统135单反相机的平台上发展起来的(4/3系统的数码单反相机除外)。一张传统135型照相机标准胶片尺寸是36mm*24mm,以此作为参照标准,当数码相机CCD或CMOS尺寸等于或接近36mm*24mm时,这款数码相机为全画幅数码相机;远远小于这个标准,为“袖珍数码相机”;稍大一些的,小于135胶片的,有APS-C(24.9×16.6mm),APS-H(30.3×

16.6mm)画幅数码相机等;感光器约为36×48mm的,可以叫“中画幅数码相机”;比36×48mm更大的感光元件(传感器),价格昂贵,多用于航天、天文、工业等尖端领域,目前不适合民用。有了这个标准去比对,我们就能做到心中有数了。

单反数码相机,通常直接给出传感器长宽尺寸,单位mm,只与标准进行比对即可。

对于消费级别相机,说明书上只给出感光传感器是多少英寸。这种说法是参考传统摄像机内的真空摄像管的对角线长短来衡量的,它遵循了Optical Format规范(即光学格式),其数值称为OF值,表明数码相机传感器对角线长度,单位为英寸,换算关系是1英寸=16mm,不是工业上的25.4mm。

下面我们用一个实例展示真实尺寸的计算方法。

例如:1/2.5英寸的CCD,16*(1/2.5)=6.4mm,这块CCD的对角线尺寸是6.4mm,采用4:3系统(CCD的长宽比),利用勾股定理可求得长、宽。

设CCD对角线、长、宽分别为:c,a,b

则:c:a:b=5:4:3,a=4*(c/5)=5.12,b=3*(c/5)=3.84

CCD长、宽分别是5.12mm和3.84mm

四、CCD和CMOS的发展趋势

目前CCD技术的发展趋势朝着更高分辨率、更高速度、微型化、多光谱、紫外、X射线、红外等方向发展[4]。富士公司已于1999年研发出Super CCD,采用八角形感光二极管和蜂窝结构的像素排列;2001年,第二代SuperCCD问世;2002年1月第三代Super CCD被推出;2003年推出第四代Super CCD,包括CCD HR和SR[5]。

CMOS集成度高,工业化程度高,生产厂家众多和低成本的优势突出。技术方面,2003年,美国Foveon公司推出FOVEON X3,实现单像素提供三原色的CMOS图像感光器技术,图像锐度优于CCD,色彩还原更好[6]。此外,CMOS图像传感器对红外非可见光波的灵敏度比CCD图像传感芯片的灵敏度要高出许多,用于安全侦测系统,也将是CMOS图像传感器的一个发展方向。

任何产品的存在就有其合理性。随着感光传感器技术的日臻成熟、完善,相信CCD和CMOS两者会优势互补,数码相机的未来会更加绚丽多彩。

参考文献:

[1]沈铭,再现历史——法国摄影博物馆珍藏相机展随笔,http://www.ca

pitalmuseum.org.cn/Contents/Channel_334/2007/0411/5214/content_5214.htm.

[2]侯雨石、何玉青、陈永飞、张忠廉,数码相机图像传感器技术,光学技术,2003年1月,第29卷第1期,59.

[3]汪永明,数码相机的发展趋势,影像资料,4,http://www.cnki.net.

[4]寇玉民、盛宏、金讳、陈辉东,CCD图像传感器发展与应用,电视技术,2008,32(4),39.

[5]月儿,数码相机的“心脏”——图像传感器技术,数字产品与外设技术趋势,2003,第5期,52.

[6]李继军、杜云刚、张丽华、刘全龙、陈建芮,CMOS图像传感器的研究进展,激光与光电子学进展,2009.04,49.

作者简介:

杨屹(1966-),男,汉族,北京人,硕士学位,实验师,就职于首都师范大学初等教育学院,主要研究方向:摄影摄像技术。