揭秘圖像傳感器CCD與CMOS

1、什么是CCD?
CCD(Charge Coupled Device ，感光耦合組件)為數(shù)碼相機(jī)中可記錄光線變化的半導(dǎo)體，通常以百萬(wàn)像素(megapixel)為單位。數(shù)碼相機(jī)規(guī)格中的多少百萬(wàn)像素，指的就是CCD的分辨率，也就是指這臺(tái)數(shù)碼相機(jī)的CCD上有多少個(gè)感光組件。
CCD上感光組件的表面具有儲(chǔ)存電荷的能力，并以矩陣的方式排列。當(dāng)其表面感受到光線時(shí)，會(huì)將電荷反應(yīng)在組件上，整個(gè)CCD上的所有感光組件所產(chǎn)生的信號(hào)，就構(gòu)成了一個(gè)完整的畫面。因此，CCD通常用在數(shù)碼相機(jī)(Digital Camera)與掃瞄器(Scanner)上，作為感光的組件。

2、CCD的“三文治”結(jié)構(gòu)
如果把CCD解剖，你會(huì)發(fā)現(xiàn)CCD的結(jié)構(gòu)就像三明治一樣，第一層是“微型鏡頭”，第二層是“分色濾色片”以及第三層“感光層”。你一定覺(jué)得很奇怪，為什么“鏡頭”會(huì)直接做在CCD上呢？

第一層“微型鏡頭”
其實(shí)，這是一個(gè)英語(yǔ)翻譯上的語(yǔ)誤：“ON-CHIP MICRO LENS”，它是1980年初，由SONY領(lǐng)先發(fā)展出來(lái)的技術(shù)。這是為了有效提升CCD的總像素，又要確保單一像素持續(xù)縮小以維持CCD的標(biāo)準(zhǔn)面積。因此，必須擴(kuò)展單一像素的受光面積。但利用提高開(kāi)口率(采光率)來(lái)增加受光面積，反而使畫質(zhì)變差了。所以，開(kāi)口率只能提升到一定的極限，否則CCD將成為劣品。為改善這個(gè)問(wèn)題，SONY率先在每一感光二極管上(單一像素)裝置微小鏡片。這個(gè)設(shè)計(jì)就像是幫CCD戴上眼鏡一樣，感光面積不再因?yàn)閭鞲衅鞯拈_(kāi)口面積而決定，而改由微型鏡片的表面積來(lái)決定。如此一來(lái)，可以同時(shí)兼顧單一像素的大小，又可在規(guī)格上提高開(kāi)口率，使感光度大幅提升。

第二層是“分色濾色片”
CCD的第二層是“分色濾色片”，目前有兩種分色方式，一是RGB原色分色法，另一個(gè)則是CMYG補(bǔ)色分色法。這兩種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。不過(guò)以產(chǎn)量來(lái)看，原色和補(bǔ)色CCD的產(chǎn)量比例約在2比1左右。
原色CCD的優(yōu)勢(shì)在于畫質(zhì)銳利，色彩真實(shí)，但缺點(diǎn)則是噪聲問(wèn)題。因此，大家可以注意，一般采用原色CCD的數(shù)碼相機(jī)，在ISO感光度上多半不會(huì)超過(guò)400。相對(duì)的，補(bǔ)色CCD多了一個(gè)Y黃色濾色器，在色彩的分辨上比較仔細(xì)，但卻犧牲了部分影像的分辨率，而在ISO值上，補(bǔ)色CCD可以容忍較高的感度，一般都可設(shè)定在800以上。

第三層：感光層
CCD的第三層是“感光片”，這層主要是負(fù)責(zé)將穿過(guò)濾色層的光源轉(zhuǎn)換成電子信號(hào)，并將信號(hào)傳送到影像處理芯片，將影像還原。

3、CCD排列
傳統(tǒng)CCD排列為矩陣，然而這樣的做法卻限制了在有效面積中再提升分辨率的能力(以現(xiàn)行的技術(shù)來(lái)看1.8寸CCD理想值約為六百萬(wàn)像素，而在成本和制造合格率的考慮下修正至四百萬(wàn)是合理值)。因此，有些廠商很聰明的想出改變CCD的排列順序，希望由此增強(qiáng)解析度。FUJI Fine Pix 4700就是采用這種作法。FUJIFILM所開(kāi)發(fā)的技術(shù)稱之為“SUPER CCD”，這技術(shù)是將CCD像素本體以45度角回轉(zhuǎn)，呈蜂巢式狀排列，結(jié)果是將PHOTO diode間的配線部分不要，以實(shí)現(xiàn)其更大化。因?yàn)橄袼氐男螤罴按怪狈较虻牟钶^少，成為近似八角形，使受光部分變大。實(shí)現(xiàn)相當(dāng)于ISO 800的高感度。SUPER CCD的S/N與以往相比較約高2倍，顏色的再現(xiàn)也大幅改善。其結(jié)果特別是high light部分和Shadow部分的色調(diào)再現(xiàn)性大幅提升，使分辨率和色調(diào)平衡，可拍出較為平滑的畫像。
這里需要指出的是，F(xiàn)UJI宣稱在1.7英寸下原先的240萬(wàn)畫素升級(jí)到430萬(wàn)！盡管效果如此驚人，然而還是要看到實(shí)際的測(cè)試報(bào)后才能判定這樣的效果到底增強(qiáng)了多少分辨率。

二、CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor，互補(bǔ)性氧化金屬半導(dǎo)體
CMOS和CCD一樣同在數(shù)碼相機(jī)中可記錄光線變化的半導(dǎo)體。CMOS的制造技術(shù)和一般計(jì)算機(jī)芯片沒(méi)有什么差別，主要是利用硅和鍺這兩種元素所做成的半導(dǎo)體，使其在CMOS上共存著帶N(帶正電)和 P(帶負(fù)電)級(jí)的半導(dǎo)體，這兩個(gè)互補(bǔ)效應(yīng)所產(chǎn)生的電流即可被處理芯片紀(jì)錄和解讀成影像。然而，CMOS的缺點(diǎn)就是太容易出現(xiàn)雜點(diǎn)， 這主要是因?yàn)樵缙诘脑O(shè)計(jì)使CMOS在處理快速變化的影像時(shí)，由于電流變化過(guò)于頻繁而會(huì)產(chǎn)生過(guò)熱的現(xiàn)象。
那么你會(huì)問(wèn)CMOS還有什么優(yōu)勢(shì)？其實(shí)CMOS對(duì)抗CCD的優(yōu)勢(shì)在于成本低，耗電需求少， 便于制造， 可以與影像處理電路同處于一個(gè)芯片上。但由于上述的缺點(diǎn)，CMOS 只能在經(jīng)濟(jì)型的數(shù)碼相機(jī)市場(chǎng)中生存。

當(dāng)初Canon D40選擇以CMOS作為感光組件就讓不少專家“摔破了眼鏡”，因?yàn)楦叨说臄?shù)碼相機(jī)中使用CMOS實(shí)在非常的罕見(jiàn)。然而就最近在DPREVIEW上看到的CANON D30 BETA所公布的實(shí)測(cè)相片看來(lái)CMOS似乎已經(jīng)突破以往的不足，其效果是直逼CCD。目前尚無(wú)法得知的是究竟CANON D30改良了原先CMOS的設(shè)計(jì)，還是在解讀圖像的芯片上做了革命性的改良。不可否認(rèn)的，CMOS只有CCD三分之一左右的耗電量， 這對(duì)電池效能需求日益殷切的數(shù)碼相機(jī)來(lái)說(shuō)朝向CMOS發(fā)展或許是開(kāi)發(fā)未來(lái)新機(jī)種的解決之道。