数码单反相机CCD和CMOS的区别

CCD和CMOS的区别CCD目前的技术比较成熟在尺寸方面也具有一定的优势由于工艺方面的原因CMOS的尺寸无法做的很大但其工艺复杂成本高耗电量大像素提升难度大等问题也是不可否认的而CMOS由于制造工艺简单因此可以在普通半导体生产线上进行生产其制造成本比较低廉CCD和CMOS各自的利弊我们可以从技术的角度来比较两者主要存在的区别a信息读取方式不同CCD传感器存储的电荷信息需在同步信号控制下一位一位的实施转移后读取电荷信息转移和读取输出需要有时钟控制电路和三组不同的电源相配合整个电路较为复杂CMOS传感器经光电转换后直接产生电流或电压信号信号读取十分简单b速度有所差别CCD传感器需在同步时钟的控制下以行为单位一位一位的输出信息速度较慢而CMOS传感器采集光信号的同时就可以取出电信号还能同时处理各单元的图象信息速度比CCD快很多c电源及耗电量CCD传感器电荷耦合器大多需要三组电源供电耗电量较大CMOS传感器只需使用一个电源耗电量非常小仅为CCD电荷耦合器的18到110CMOS光电传感器在节能方面具有很大优势d成像质量CCD传感器制作技术起步较早技术相对成熟采用PN结合二氧化硅隔离层隔离噪声成像质量相对CMOS传感器有一定优势由于CMOS传感器集成度高光电传感元件与电路之间距离很近相互之间的光电磁干扰较为严重噪声对图象质量影响很大CCD与CMOS两种传感器在内部结构和外部结构上都是不同的内部结构传感器本身的结构CCD的成像点为XY纵横矩阵排列每个成像点由一个光电二极管和其控制的一个邻近电荷存储区组成光电二极管将光线光量子转换为电荷电子聚集的电子数量与光线的强度成正比在读取这些电荷时各行数据被移动到垂直电荷传输方向的缓存器中每行的电荷信息被连续读出再通过电荷电压转换器和放大器传感这种构造产生的图像具有低噪音高性能的特点但是生产CCD需采用时钟信号偏压技术因此整个构造复杂增大了耗电量也增加了成本数码相机成像过程CMOS传感器周围的电子器件如数字逻辑电路时钟驱动器以及模数转换器等可在同一加工程序中得以集成CMOS传感器的构造如同一个存储器每个成像点包含一个光电二极管一个电荷电压转换单元一个重新设置和选择晶体管以及一个放大器覆盖在整个传感器上的是金属互连器计时应用和读取信号以及纵向排列的输出信号互连器它可以通过简单的XY寻址技术读取信号外部结构传感器在产品上的应用结构CCD电荷耦合器仅能输出模拟电信号输出的电信号还需经后续地址译码器模数转换器图像信号处理器处理并且还须提供三组不同电压的电源和同步时钟控制电路集成度非常低由CCD电荷耦合器构成的数码相机通常有六个芯片有的多达八片最少的也有三片使CCD电荷耦合器制作的数码相机成本较高CMOS光电传感器的加工采用半导体厂家生产集成电路的流程可以将数码相机的所有部件集成到一块芯片上如光敏元件图像信号放大器信号读取电路模数转换器图像信号处理器及控制器等都可集成到一块芯片上还具有附加DRAM的优点只需要一个芯片就可以实现数码相机的所有功能因此采用CMOS芯片的光电图像转换系统的整体成本很低CCDCMOS全称电荷耦合装置ChargeCoupledDevice互补金属氧化物半导体ComplementaryMetalOxideSemiconductor价格高低噪声照片暗部的不规则杂点低较高耗电量高低影响锐利度高一般动态范围高一般发展趋势技术较为成熟生产厂家众多技术不断有突破性进展其实CCD也有两种全帧fullframe的和隔行interline的这两种CCD的性能区别非常大总的来说全帧的CCD性能最好其次是隔行的CCDCMOS的综合性能最差fullframeCCD最突出的优势是分辨率和动态范围最弱的地方就是贵耗电CMOS最差的地方是分辨率动态范围和噪声优势就是便宜省电interlineCCD比CMOS强的地方在于噪声总的来说两种CCD的颜色还原都比CMOS强现在一般的消费级数码相机在宣传上都不说是FullframeCCD还是InterlineCCD当然多数都是后者专业级的数码相机肯定是前者所以FullframeCCD和InterlineCCD间的区别都存在于专业级数码相机和消费级机之间当然专业级数码相机彩用的大面积CCD带来的好处更突出数码相机与传统照相机相比的最大区别在于数码相机用半导体芯片取代了传统摄影用胶卷并实现了数字化的影像存储因而成像芯片对数码相机拍摄质量的影像就像胶卷对传统摄影拍摄质量的影响一样举足轻重传统摄影选择胶卷有着很大的灵活性发现某种牌号的胶卷质量不理想可以另购其它牌号的完全可朝三暮四而成像芯片与数码相机构成一个密不可分的整体是从一而终一经选定某种型号的数码相机成像芯片随之确定而无法更换因此我们必须对数码相机的成像芯片给以足够的关注既要关注它的类型又要关注它的分辨率尺寸像元尺寸和制作质量成像芯片的种类及质量成像芯片的作用是将数码相机镜头成在它上面的像转换为电荷输出目前数码相机用成像芯片分为CCD和CMOS两类用CCD作成像芯片的数码相机已为人们所熟悉因为全世界数码相机型号的95以上我国市场销售数码相机的100都是使用CCD作成像芯片的与CMOS相比CCD问世较早具有制作水平高生产规模大成像质量高尤其是噪声水平低技术成熟的特点CMOS是互补金属氧化物半导体器件它的光电转换功能与CCD相似区别主要在于光电转换后信息传送的方式不同CMOS具有信息读取方式简单输出信息速率快耗电省仅为CCD芯片的110左右体积小重量轻集成度高价格低等特点是未来数码相机理想的成像芯片但要达到CCD芯片的成像质量仍有漫长的路要走因而目前选购CCD芯片数码相机是明智之举CCD芯片又分为线型和面型两大类线型CCD芯片的最大特点是分辨率很高可拍摄得到1000万以上像素水平影像的数码相机都采用线型CCD芯片的目前线型CCD数码相机最高可拍摄得到的像素水平高达13亿遗憾的是线型CCD数码相机是扫描型的曝光方式与平台扫描仪相似曝光时间特别长无法拍摄动态物体更不能进行闪光拍摄采用面型CCD芯片的数码相机的最大特点是可瞬间曝光应用灵活性大国内市场上所见到的轻便数码相机和单反数码相机都采用面型CCD芯片目前最高像素水平为600万成像芯片的分辨率成像芯片的分辨率是数码相机最重要的性能指标通常用像素数表示意味着数码相机将镜头成在CCD芯片上面的像以多少个点加以记录这已为越来越多的人所认识只是还必须注意以下三方面的区别1CCD芯片分辨率与拍摄分辨率之间的区别CCD芯片分辨率是指芯片上所具有的CCD像元数拍摄分辨率是指拍摄时实际参与成像的CCD像元数由于数码相机将CCD芯片上的部分CCD像元用于测光自动聚焦和自动调整白平衡等方面使得拍摄分辨率总是小于CCD芯片分辨率选购数码相机既要看CCD芯片分辨率更要看可最大拍摄分辨率2拍摄分辨率与插值分辨率之间的区别拍摄分辨率是拍摄时实际参与成像的CCD像元数插值分辨率是用软件插值的方法产生得到的比CCD芯片上实际参与成像的像元数更多像素的分辨率插值后的像素水平是更高了甚至于成倍提高但插值将导致影像反差的降低成像锐度的下降因此要分清插值分辨率与拍摄分辨率3线型CCD芯片与面型CCD芯片分辨率的含义有区别在采用线型CCD芯片的数码相机上由三个像元产生一个影像像素而面型CCD芯片在每一个像元的基础之上都要产生一个像素将具体像元的信息与周围像元的信息综合得到因而线型CCD数码相机上除了标有正常的分辨率外还标有相当于面型CCD数码相机的分辨率即三倍的数值如目前最高拍摄分辨率为13亿像素水平的数码相机还标有相当于39亿像素水平购用数码相机并非像素水平越高越好多高像素水平的数码相机合适完全取决于我们的实际应用比如家庭购用数码相机分辨率一般达到15001000就可以了这种像素水平数码相机拍摄所制作的78英寸的照片有着完全令人满意的分辨率用于拍摄网页图像的数码相机分辨率有1028768的影像水平就足够当然拍摄网页用图像可以用更价廉的网络照相机WebCam摄制多媒体课件用图像数码相机的分辨率与投影机的分辨率相当即可目前学校中用投影机的分辨率多在8006001024768的像素水平上婚纱摄影广告摄影用于摄制大幅面照片的数码相机像素水平至少在600万以上购数码相机后要用于不同的方面则应按其中高分辨率的应用要求确定选购数码相机的像素水平成像芯片的尺寸数码相机CCD芯片的尺寸人们很少关心甚至于一些轻便数码相机的性能介绍上也没有标明CCD芯片的大小而随着数码相机像素水平的不断提高CCD芯片的尺寸指标显得越发重要无论是摄像机还是数码相机只要是面向大众而不是按专业使用设计的都倾向于使用小尺寸的面型CCD芯片这一方面是为了降低CCD芯片制作成本因为CCD芯片的面积越大制作成品率越低生产成本陡增另一方面是使设备小型化轻量化的需要因为只有CCD芯片尺寸小镜头机身的尺寸才可以随之减小在轻便和单反数码相机中所有的CCD芯片最小尺寸是卡西欧QV10QV30上使用的仅有约24mm18mm大小最大尺寸是柯达佳能单反数码相机EOSDCS1EOSD6000DCS460DCS560DCS660上使用的高达276mm184mm最大的与最小的CCD芯片成像面积相差上百倍CCD芯片的制作水平近十几年来每年都会发生突飞猛进的发展尤其表现在CCD芯片中单个像元的尺寸上早期的技术无法将CCD芯片中的单个像元做得很小1mm长度上只能制作几十个像元即单个像元的大小在几十微米而现在1mm长度上最多可制作200多个像元像元的大小已小到几微米降低制作成本的需要与制作技术的发展使得像素水平不断上升的轻便数码相机仍采用小尺寸的CCD芯片如像素水平为640480的奥林巴斯C400C420L等许多数码相机采用的是尺寸为13英寸的CCD芯片像素水平为1280960的卡西欧QV5000SX轻便数码相机仍采用13英寸的CCD芯片高像素水平的数码相机采用小尺寸的CCD芯片对数码相机镜头的分辨率提出了更高的要求因为数码相机镜头的分辨率应该达到的水平与CCD芯片单位长度内像元数有关即数码照相机镜头应该具有的分辨率CCD芯片的成像区横向像元数CCD芯片成像区横向尺寸很显然在芯片像元数一定的情况下CCD芯片成像区域越小要求镜头的分辨率越高如镜头分辨率不能随之升高就不能发挥每个像元的作用目前芯片尺寸小而镜头的分辨率又低是轻便数码相机存在的共性问题在选购高像素轻便数码相机时必须综合考虑CCD芯片的像素水平CCD芯片的尺寸和镜头可能达到的分辨率水平由于CCD芯片制作成本随尺寸呈几何级数上升因而不同档次数码相机即使分辨率相同其CCD芯片尺寸也可能不同通常是档次越低的数码相机所用CCD芯片的尺寸越小CCD影像感应器目前已大部份被使用在数码相机上而近年来CMOS感应器也逐渐开始出现在数码相机的市场当中CMOS的诞生具备了许多CCD所没有的一些优势例如省电高集成度成本更低等等因此就未来影像感应技术的发展来看数码相机的影像感应器市场将会是CCD与CMOS的兵家必争之地未来低于4000元的数码相机的影像感应器相信将会由CMOS胜出而高于这一价格的数码相机市场将会出现由CCD与CMOS共同领导的新局面从工作原理上讲这两种影像感应器都是将光讯号转变成电信号而进行輸出而这一转换也是在每一个像素中所完成所以要了解影像感应器的原理之前我们必须先要了解像素的定义和原理影像感应器制造商对像素的定义是在影像感应器上将光讯号转变成电信号的基本工作单位比如一台数码相机标称使用一枚1280x960的影像感应器那么它就会有1228800个像素而这是完全不同于传统电视与电脑显示器制造商所使用的像素定义的像素的原理电子显微镜下的CCD表面像素是影像感应器的基本单位以CMOS感应器的像素为例它包含了一个光电二极管用以产生与入射光成比例的电荷同时它也包含了其他一些电子元件以提供缓存转换和复位功能当每个像素上的电容所积累的电荷达到的一定数量并被传送给信号放大器再通过数模转换之后所拍摄影像的原始信号才得以真正成形而具有全部这些功能的器件才能称为是一个真正的影像感应器CMOS产品图片信噪比影像感应器的信噪比可以用分贝噪声单位表示当信号到达一定强度时信噪比并不会等比例增加但是如果要让低伏值的讯号可以被检测出来那么信噪比就变得非常重要信噪比的基本定义为在有效输出范围内真值信号强度与噪声强度的比值当真值信号被噪声所埋没后后方将无法有效地从前方输出中提取信息在常规的信号检测中电压被做为可参考的主要依据同样对于影像感应器来说每个像素输出的电压高低便作为后方信号处理的实际依据色彩灵敏度失衡彩色影像感应器对不同波长的入射光有不同的灵敏度而这将会造成拍摄影像时的的色彩失衡当然色彩失衡可以用后续的数字化处理得到补偿但这也有可能放大在经过模数转换后的噪声现在的技术可以解决色彩敏感度失衡的问题然后再将讯号送到模数转换器进行数字量化最后再运用色差增益或放大技术进行处理暗电流是在没有入射光时光电二极管所释放的电流量理想的影像感应器其暗电流应该是零但是实际状况是每个像素中的光电二极管同时又充当了电容当电容器慢慢地释放电荷时就算没有入射光暗电流的电压也会与低亮度入射光的输出电压相当因此在这些时候我们还是能从显示器上看到部分影像大部分情况下这都是因为从暗电流中所累积的电荷释放造成的所以暗电流是影响画质的噪声之一CCD与CMOS感应器的暗电流范围为007520纳安平方厘米左右实际上因为CCD与CMOS在图像采集方面的本质区别在暗电流的形成上差别还是比较大的但是由于双方在后台处理上的不同暗电流的影响已经消除了大半因此在最终得到的实际影像上的差别还不是非常明显的像素的大小影像感应器能否捕捉到低亮度的影像将取决于每个像素的采光区域的大小较大的像素将使影像感应器捕捉到更多的光子如此便能提高像素的动态范围但是更大的像素也就需要较多的硅芯片这也在无形当中加高了生产成本因此决定最佳化的影像感应器组件大小将由设定采光区域的大小低亮度的敏感性以及所期望获得的实际影像质量来共同决定Crystal通光晶片IRabsorptionglass红外截止玻璃CMOSsensorCMOS影像感应器Lowpassfilter低通滤波器Dichroicmirror双色性反射镜佳能EOSD60结构示意图及CMOS感应器结构图CMOS影像感应器技术CMOS影像感应器大约是在80年代初发明出来的只是当时CMOS设计制作技术不高以致于感应器的噪声大想要商品化并不容易时至今日CMOS感应器的应用范围已经非常广泛包括数码相机电脑摄像头可视电话第三代手机智能型安全系统汽车倒车雷达玩具以及工业医疗等多种用途由于使用范围广泛这也非常有利于CMOS产品的普及CMOS不但体积小耗电量也不到CCD的110售价也比CCD便宜近13画质已接近低端分辨率的CCD国内相关生产企业早已开始使用CMOS来替代传统的CCD感应器CMOS影像感应器目前主要用以数码相机摄像头等产品在130万像素以下的CMOS品质已相当接近CCD感应器而且体积比CCD更小尤其是电脑摄像头在动态影像的撷取方面对影像品质要求不比静态的数码相机高48万像素的画质就可以被用户所接受目前生产企业采用CMOS的比例已开始大大增加虽然CMOS影像感应器真正的快速发展只有23年时间虽然在品质上仍难与CCD媲美但是相信在不久的将来CMOS终会取代CCD成为主流而这只不过是时间的问题CMOS要想成为市场主流必须克服的最大的问题就是成像品质就目前的效果而言较高像素的CMOS感应器已经面临到感光度信噪比不足等多项问题影像品质无法与同级CCD感应器相比以目前的条件来看CMOS感应器要普遍应用在340万像素以上的数码相机市场时机尚未成熟但是影像感应器市场应用范围很广涵盖消费商业工业等多种领域根据市场供求量的计算在未来三年的发展中CMOS感应器每年的累计增长率都将超过25CCD和CMOS在制造上的主要区别是CCD是集成在半导体单晶材料上而CMOS是集成在被称做金属氧化物的半导体材料上工作原理没有本质的区别CCD只有少数几个厂商例如索尼松下等掌握这种技术而且CCD制造工艺较复杂采用CCD的摄像头价格都会相对比较贵事实上经过技术改造目前CCD和CMOS的实际效果的差距已经减小了不少而且CMOS的制造成本和功耗都要低于CCD不少所以很多摄像头生产厂商采用的CMOS感光元件成像方面在相同像素下CCD的成像通透性明锐度都很好色彩还原曝光可以保证基本准确而CMOS的产品往往通透性一般对实物的色彩还原能力偏弱曝光也都不太好由于自身物理特性的原因CMOS的成像质量和CCD还是有一定距离的但由于低廉的价格以及高度的整合性因此在摄像头领域还是得到了广泛的应用CCD和CMOS的区别问既然ccd与cmos都是感光传感器为何价格如此悬殊它们之间到底有何区别对于一般的数码相机新手来说是否要考虑它们的性能等问题答CCD是目前比较成熟的成像器件CMOS被看作未来的成像器件因为CMOS结构相对简单与现有的大规模集成电路生产工艺相同从而生产成本可以降低从原理上CMOS的信号是以点为单位的电荷信号而CCD是以行为单位的电流信号前者更为敏感速度也更快更为省电现在高级的CMOS并不比一般CCD差但是CMOS工艺还不是十分成熟普通的SMOS一般分辨率低而成像较差目前的情况是许多低档入门型的数码相机使用廉价的低档CMOS芯片成像质量比较差普及型高级型及专业型数码相机使用不同档次的CCD个别专业型或准专业型数码相机使用高级的CMOS芯片代表成像技术未来发展的X3芯片实际也是一种CMOS芯片CCD与CMOS孰优孰劣不能一概而论但一般而言普及型的数码相机中使用CCD芯片的成像质量要好一些CCD及CMOS的区别和对比CCD英文全名ChargeCoupledDevice感光耦合元件CCD为数位相机中可记录光线变化的半导体通常以百万像素megapixel为单位数位相机规格中的多少百万像素指的就是CCD的解析度也代表着这台数位相机的CCD上有多少感光元件CCD主要材质为硅晶半导体基本原理类似CASIO计算机上的太阳能电池透过光电效应由感光元件表面感应来源光线从而转换成储存电荷的能力简单的说当CCD表面接受到快门开启镜头进来的光线照射时即会将光线的能量转换成电荷光线越强电荷也就越多这些电荷就成为判断光线强弱大小的依据CCD元件上安排有通道线路将这些电荷传输至放大解码原件就能还原所有CCD上感光元件产生的讯号并构成了一幅完整的画面此一特性使得CCD通用在数位相机DigitalCamera与扫瞄器Scanner上作为目前最大宗之感光元件来源英文全名ComplementaryMetalOxideSemiconductor互补性氧化金属半导体CMOS和CCD一样同为在数码相机中可记录光线变化的半导体外观上几乎无分轩轾但CMOS的製造技术和CCD不同反而比较接近一般电脑晶片CMOS的材质主要是利用硅和锗这两种元素所做成的半导体使其在CMOS上共存着