認(rèn)清數(shù)碼照相機(jī)的感光傳感器-CCDCMOS

楊 屹

[摘要]數(shù)碼相機(jī)以其靈活的存貯、傳輸、后期制作優(yōu)勢(shì)和逐漸降低的價(jià)格,愈加受到廣大攝影愛(ài)好者的青睞?？申P(guān)于其核心技術(shù):感光傳感器-CCD、CMOS卻知之不多,從而缺乏對(duì)數(shù)碼相機(jī)較深刻的認(rèn)識(shí)。將從圖像感光材料發(fā)展史、基本感光原理、技術(shù)性能對(duì)比、實(shí)踐應(yīng)用以及發(fā)展趨勢(shì)的層面簡(jiǎn)要闡述CCD、CMOS。

[關(guān)鍵詞]CCD、CMOS、像素

中圖分類號(hào):TB84文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1671-7597(2009)1220017-01

攝影史上每一次攝影感光材料的革新都會(huì)推動(dòng)攝影技術(shù)、攝影器材的重大變革,有時(shí)甚至是天翻地覆的根本變革。

從1816年,法國(guó)軍人尼普斯(N Niepce)開(kāi)始第一次攝影試驗(yàn),到1837年5月,法國(guó)物理學(xué)家達(dá)蓋爾(L Daguerre)正式發(fā)明攝影術(shù),乃至1839年,他發(fā)明的全世界第一臺(tái)照相機(jī),至今已有一百多年的歷史了[1]。在攝影技術(shù)發(fā)展的歷史進(jìn)程中,先后經(jīng)歷了銀板、濕版、干版,直到1880年前后,英國(guó)人理查德·里奇·邁多克斯用溴化銀制成底片。其中溴化銀膠片的誕生,在攝影史上具有劃時(shí)代的意義?，F(xiàn)在傳統(tǒng)照相機(jī)依然沿用溴化銀膠片作為感光材料。

1969年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了CCD[2],1991年第一款CCD商用數(shù)碼相機(jī)面市[3],之后又研制出了CMOS。數(shù)碼相機(jī)的問(wèn)世短短十幾年,就從根本上動(dòng)搖了傳統(tǒng)相機(jī)在攝影領(lǐng)域一百多年的統(tǒng)治地位,并將以其勃勃生機(jī)續(xù)寫出攝影史上更加光輝燦爛的新樂(lè)章。

一、簡(jiǎn)介CCD、CMOS

CCD和CMOS都是一種能將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)的半導(dǎo)體器件。利用這個(gè)特性,將它們替代傳統(tǒng)相機(jī)中的溴化銀膠片,成為數(shù)碼相機(jī)的感光傳感器。CCD和CMOS工作原理沒(méi)有本質(zhì)的區(qū)別,都是利用光電二極管(photodio

de)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換。根據(jù)入射光的強(qiáng)度與光電二極管產(chǎn)生電荷量成正比的原理,被攝景物經(jīng)過(guò)相機(jī)鏡頭的接收匯聚,將清晰的具有明暗強(qiáng)弱的光影像投射到CCD或CMOS表面,經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后,形成了“電荷圖像”。再經(jīng)過(guò)一系列圖像處理,模數(shù)轉(zhuǎn)換,最終形成一定格式的數(shù)字圖像文件儲(chǔ)存在存儲(chǔ)卡中。但是,CCD、CMOS芯片結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)工藝不同。

CCD(Charge Coupled Device)即電荷耦合元件,是一種感光半導(dǎo)體芯片,被集成在半導(dǎo)體單晶材料上。每一個(gè)CCD芯片都是用大規(guī)模集成電路技術(shù)制作出的,內(nèi)嵌數(shù)十成百上千萬(wàn)個(gè)光敏電容(即光電二極管),每一個(gè)光敏電容構(gòu)成一個(gè)感光單元,即一個(gè)像素。CCD感光后將每行的每個(gè)像素中的電荷依序逐一轉(zhuǎn)移到專門的緩沖器中,再轉(zhuǎn)輸?shù)綌?shù)據(jù)放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器中集中數(shù)據(jù)處理,最終形成數(shù)字圖像數(shù)據(jù)。

CMOS(Complementary MetalOxide Semiconductor)即互補(bǔ)性氧化金屬半導(dǎo)體。也是一種感光半導(dǎo)體芯片,它的每個(gè)單元電路中包含兩個(gè)互補(bǔ)的晶體管:N型金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管(NMOS)和P型金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管(PMOS)。同樣,CMOS也是由數(shù)以百萬(wàn)的像素構(gòu)成。區(qū)別于CCD,CMOS的每一個(gè)像素由一個(gè)光敏電容(即光電二極管)和四個(gè)晶體管構(gòu)成,感光后每個(gè)像素都獨(dú)立具有信號(hào)放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路,能直接形成數(shù)字信息。從每個(gè)像素傳輸出來(lái)的數(shù)字信息,最后集中匯聚處理,形成完整的數(shù)字圖像文件。

二、對(duì)比CCD、CMOS

1.CCD感光后形成的電荷需要在時(shí)鐘控制電路的控制下一位一位地先轉(zhuǎn)移到緩沖區(qū)后一次性讀出,而且驅(qū)動(dòng)電路、模擬、數(shù)字處理電路未集成到同一芯片上,速度較慢;CMOS系統(tǒng)集成度高,感光后生成數(shù)字圖像數(shù)據(jù)速度比CCD快很多。

2.CCD電路的設(shè)計(jì)決定了數(shù)據(jù)不失真,圖像的低噪聲;CMOS電路設(shè)計(jì),每個(gè)像素都有一個(gè)放大電路,放大電路屬于模擬電路,有數(shù)以百萬(wàn)的模擬電路,不可避免地產(chǎn)生更多的噪點(diǎn)。

3.CCD每個(gè)像素感光面積大,感光度高,圖像質(zhì)量好;CMOS每個(gè)像素中光電二極管周圍多個(gè)附加元件相對(duì)縮小了像素的感光表面積。因此,相同面積的兩種感光半導(dǎo)體,CMOS的感光度低于CCD,圖像色彩、飽和度自然不及CCD。

4.CCD被動(dòng)式數(shù)據(jù)采集,需要外接電壓,耗電量大,減少了數(shù)碼相機(jī)電池的壽命;CMOS主動(dòng)式圖像采集,每個(gè)像素電信號(hào)自動(dòng)放大、轉(zhuǎn)換、輸出,耗電量相對(duì)CCD小很多。

5.CCD生產(chǎn)工藝、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)高,成品率低,成本高于CMOS;CMOS是目前用于生產(chǎn)各種計(jì)算機(jī)芯片的成熟半導(dǎo)體集成電路工藝。其它周邊電路很容易被集成在一起,成本較低。

三、識(shí)別CCD和CMOS的真實(shí)尺寸

相同類型的感光傳感器尺寸大小決定分辨率、像素?cái)?shù)、成像質(zhì)量和價(jià)格級(jí)別。但在實(shí)踐中,數(shù)碼相機(jī)說(shuō)明書中注明的技術(shù)參數(shù)普通用戶往往不理解,也不清楚用什么作為參照標(biāo)準(zhǔn),較難準(zhǔn)確判斷相機(jī)的性價(jià)比。

下面,就如何識(shí)別CCD和CMOS的真實(shí)尺寸作如下說(shuō)明。

數(shù)碼相機(jī)是在傳統(tǒng)135單反相機(jī)的平臺(tái)上發(fā)展起來(lái)的(4/3系統(tǒng)的數(shù)碼單反相機(jī)除外)。一張傳統(tǒng)135型照相機(jī)標(biāo)準(zhǔn)膠片尺寸是36mm*24mm,以此作為參照標(biāo)準(zhǔn),當(dāng)數(shù)碼相機(jī)CCD或CMOS尺寸等于或接近36mm*24mm時(shí),這款數(shù)碼相機(jī)為全畫幅數(shù)碼相機(jī);遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于這個(gè)標(biāo)準(zhǔn),為“袖珍數(shù)碼相機(jī)”;稍大一些的,小于135膠片的,有APS-C(24.9×16.6mm),APS-H(30.3×

16.6mm)畫幅數(shù)碼相機(jī)等;感光器約為36×48mm的,可以叫“中畫幅數(shù)碼相機(jī)”;比36×48mm更大的感光元件(傳感器),價(jià)格昂貴,多用于航天、天文、工業(yè)等尖端領(lǐng)域,目前不適合民用。有了這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)去比對(duì),我們就能做到心中有數(shù)了。

單反數(shù)碼相機(jī),通常直接給出傳感器長(zhǎng)寬尺寸,單位mm,只與標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比對(duì)即可。

對(duì)于消費(fèi)級(jí)別相機(jī),說(shuō)明書上只給出感光傳感器是多少英寸。這種說(shuō)法是參考傳統(tǒng)攝像機(jī)內(nèi)的真空攝像管的對(duì)角線長(zhǎng)短來(lái)衡量的,它遵循了Optical Format規(guī)范(即光學(xué)格式),其數(shù)值稱為OF值,表明數(shù)碼相機(jī)傳感器對(duì)角線長(zhǎng)度,單位為英寸,換算關(guān)系是1英寸=16mm,不是工業(yè)上的25.4mm。

下面我們用一個(gè)實(shí)例展示真實(shí)尺寸的計(jì)算方法。

例如:1/2.5英寸的CCD,16*(1/2.5)=6.4mm,這塊CCD的對(duì)角線尺寸是6.4mm,采用4:3系統(tǒng)(CCD的長(zhǎng)寬比),利用勾股定理可求得長(zhǎng)、寬。

設(shè)CCD對(duì)角線、長(zhǎng)、寬分別為:c,a,b

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

CCD長(zhǎng)、寬分別是5.12mm和3.84mm

四、CCD和CMOS的發(fā)展趨勢(shì)

目前CCD技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)朝著更高分辨率、更高速度、微型化、多光譜、紫外、X射線、紅外等方向發(fā)展[4]。富士公司已于1999年研發(fā)出Super CCD,采用八角形感光二極管和蜂窩結(jié)構(gòu)的像素排列;2001年,第二代SuperCCD問(wèn)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,工業(yè)化程度高,生產(chǎn)廠家眾多和低成本的優(yōu)勢(shì)突出。技術(shù)方面,2003年,美國(guó)Foveon公司推出FOVEON X3,實(shí)現(xiàn)單像素提供三原色的CMOS圖像感光器技術(shù),圖像銳度優(yōu)于CCD,色彩還原更好[6]。此外,CMOS圖像傳感器對(duì)紅外非可見(jiàn)光波的靈敏度比CCD圖像傳感芯片的靈敏度要高出許多,用于安全偵測(cè)系統(tǒng),也將是CMOS圖像傳感器的一個(gè)發(fā)展方向。

任何產(chǎn)品的存在就有其合理性。隨著感光傳感器技術(shù)的日臻成熟、完善,相信CCD和CMOS兩者會(huì)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),數(shù)碼相機(jī)的未來(lái)會(huì)更加絢麗多彩。

參考文獻(xiàn):

[1]沈銘,再現(xiàn)歷史——法國(guó)攝影博物館珍藏相機(jī)展隨筆,http://www.ca

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

[2]侯雨石、何玉青、陳永飛、張忠廉,數(shù)碼相機(jī)圖像傳感器技術(shù),光學(xué)技術(shù),2003年1月,第29卷第1期,59.

[3]汪永明,數(shù)碼相機(jī)的發(fā)展趨勢(shì),影像資料,4,http://www.cnki.net.

[4]寇玉民、盛宏、金諱、陳輝東,CCD圖像傳感器發(fā)展與應(yīng)用,電視技術(shù),2008,32(4),39.

[5]月兒,數(shù)碼相機(jī)的“心臟”——圖像傳感器技術(shù),數(shù)字產(chǎn)品與外設(shè)技術(shù)趨勢(shì),2003,第5期,52.

[6]李繼軍、杜云剛、張麗華、劉全龍、陳建芮,CMOS圖像傳感器的研究進(jìn)展,激光與光電子學(xué)進(jìn)展,2009.04,49.

作者簡(jiǎn)介:

楊屹(1966-),男,漢族,北京人,碩士學(xué)位,實(shí)驗(yàn)師,就職于首都師范大學(xué)初等教育學(xué)院,主要研究方向:攝影攝像技術(shù)。