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摄影技巧:数码相机CCD和CMOS的区别

针对许多网上朋友的询问CCD与CMOS的主要区别。在这我们先暂时撇开繁琐的技术文字,透过简单的对比来看一下这两种不同类型,作用相同的影像感光元件。

  不管CCD还是CMOS,两者基本上都是利用矽感光二极体(photodiode)进行光与电的转换。这种转换的原理与大家手上具备“太阳电能”电子计算机的“太阳能电池”效应相近,光线越强电力越强;反之,光线越弱电力也就会越弱,将光影像转换为电子数字信号。

  比较CCD 和CMOS感光元件的结构,ADC的位置和数量是最大的不同。简单的说,CCD每曝光一次,在快门关闭后进行像素转移处理,将每一行中每一个像素(pixel)的电荷信号依序传入“缓冲器”中,由底端的线路引导输出至 CCD 旁的放大器进行放大,再串联 ADC 输出;相对地,CMOS 的设计中每个像素旁就直接连着 ADC(放大兼类比数字信号转换器),讯号直接放大并转换成数字信号。

两者优缺点的比较

  CCD和CMOS:
设计单一感光器 感光器连接放大器
灵敏度 同样面积下高 感光开口小,灵敏度低
成本 线路品质影响程度高,成本高 CMOS整合集成,成本低
解析度 连接复杂度低,解析度高 低,新技术高
噪点比 单一放大,噪点低 百万放大,噪点高
功耗比 需外加电压,功耗高 直接放大,功耗低

  由于结构上的基本差异,我们可以表列出两者在性能上的表现之不同。CCD的主要特点在于它可以充分的保持信号在传输的时候不失真(专属通道设计),透过每一个像素集合到单一放大器上再做统一处理,可以保持资料的完整性;CMOS的制程较简单,没有专属通道的设计,因此必须先行放大再整合各个像素的资料。

  整体来说,CCD 与 CMOS 两种设计的应用,反应在成像效果上,形成包括 ISO 感光度、制造成本、解析度、噪点与耗电量等,不同类型的差异:

  ISO 感光度差异:由于 CMOS 每个像素包含了放大器与A/D转换电路,过多的额外设备压缩单一像素的感光区域的表面积,因此 相同像素下,同样大小之感光器尺寸,CMOS的感光度会低于CCD。

  成本差异:CMOS 应用半导体工业常用的 MOS制程,可以一次整合全部周边设施于单晶片中,节省加工晶片所需负担的成本 和良率的损失;相对地 CCD 采用电荷传递的方式输出资讯,必须另辟传输通道,如果通道中有一个像素故障(Fail),就会导致一整排的 讯号壅塞,无法传递,因此CCD的良率比CMOS低,加上另辟传输通道和外加 ADC 等周边,CCD的制造成本相对高于CMOS。

  解析度差异:在第一点“感光度差异”中,由于 CMOS 每个像素的结构比 CCD 复杂,其感光开口不及CCD大, 相对比较相同尺寸的CCD与CMOS感光器时,CCD感光器的解析度通常会优于CMOS。不过,如果跳脱尺寸限制,目前业界的CMOS 感光原件已经可达到1400万 像素 / 全片幅的设计,CMOS 技术在量率上的优势可以克服大尺寸感光原件制造上的困难,特别是全片幅 24mm-by-36mm 这样的大小。

  噪点差异:由于CMOS每个感光二极体旁都搭配一个 ADC 放大器,如果以百万像素计,那么就需要百万个以上的 ADC 放大器,虽然是统一制造下的产品,但是每个放大器或多或少都有些微的差异存在,很难达到放大同步的效果,对比单一个放大器的CCD,CMOS最终计算出的噪点就比较多。

  耗电量差异:CMOS的影像电荷驱动方式为主动式,感光二极体所产生的电荷会直接由旁边的电晶体做放大输出;但CCD却为被动式, 必须外加电压让每个像素中的电荷移动至传输通道。而这外加电压通常需要12伏特(V)以上的水平,因此 CCD 还必须要有更精密的电源线路设计和耐压强度,高驱动电压使 CCD 的电量远高于CMOS。

  尽管 CCD 在影像品质等各方面均优于CMOS,但不可否认的CMOS具有低成本、低耗电以及高整合度的特性。 由于数码影像的需求热烈,CMOS的低成本和稳定供货,成为厂商的最爱,也因此其制造技术不断地改良更新,使得 CCD 与 CMOS 两者的差异逐渐缩小 。新一代的CCD朝向耗电量减少作为改进目标,以期进入照相手机的行动通讯市场;CMOS系列,则开始朝向大尺寸面积与高速影像处理晶片统合,藉由后续的影像处理修正噪点以及画质表现, 特别是 Canon 系列的 EOS D30 、EOS 300D 的成功,足见高速影像处理晶片已经可以胜任高像素 CMOS 所产生的影像处理时间与能力的缩短;另外,大尺寸全片幅则以 Kodak DCS Pro14n、DCS Pro/n、DCS Pro/c 这一系列的数码机身为号召,CMOS未来跨足高阶的影像市场产品,前景可期。
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