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CCD与CMOS影像感光元件结构透视与分析

2023-07-08 02:06:13

关键词: CCD , CMOS , 感光元件 , 影像

CCD和CMOS感光元件的区别Mr.OH!在第二讲中概略地介绍了CCD与CMOS,但对于大多数的同学来说,看得到的却是一颗颗已经整合好的芯片组合!内部详细的结构,以及到底是如何运作产生我们看到的一幅幅数位照片,且我们撇开复杂的技术文字,透过图片比较,来看这两种不同类型,作用却又相同的影像感光元件.


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OlympusE1CCD感光套件(包含超音波除尘器)放大器位置和数量比较CCD和CMOS的结构,放大器的位置和数量是最大的不同之处,Mr.OH!会在下一讲CCD感光元件工作原理(上),提及完整的感光元件作业流程。此讲中,Mr.OH!简单地解释:CCD每曝光一次,自快门关闭或是内部时脉自动断线(电子快门)后,即进行画素转移处理,将每一行中每一个画素(pixel)的电荷信号依序传入‘缓冲器(电荷储存器)’中,由底端的线路导引输出至CCD旁的放大器进行放大,再串联ADC(类比数位资料转换器)输出;相对地,CMOS的设计中每个画素旁就直接连着‘放大器’,光电讯号可直接放大再经由BUS通路移动至ADC中转换成数位资料。CCD与CMOS的比较

由于构造上的基本差异,我们可以表列出两者在性能上的表现之不同。CCD的特色在于充分保


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持信号在传输时不失真(专属通道设计),透过每一个画素集合至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画素的资料。


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CCD与CMOS电路结构之完整比较(摘录自SHARP月刊)差异分析整体来说,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、分辨率、杂讯与耗电量等,不同类型的差异:ISO感光度差异:由于CMOS每个画素包含了放大器与A/D转换电路,过多的额外设备压缩单一画素的感光区域的表面积,因此在相同画素下,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芯片中,节省加工芯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,如果通道中有一个画素故障(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。 分辨率差异:在第一点‘感光度差异’中,由于CMOS每个画素的结构比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感光器的分辨率通常会优于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1400万画素/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。 杂讯差异:由于CMOS每个感光二极体旁都搭配一个ADC放大器,如果以百万画素计,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最终计算出的杂讯就比较多。 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画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。其他差异:IPA(IndiviualPixelAddressing)常被使用在数位变焦放大之中,CMOS必须仰赖x,y画面定位放大处理,否则由于个别画素放大器之误差,容易产生画面不平整的问题。制造机具上,CCD必须特别订制的机台才能制造,也因此生产高画素的CCD元件产生不出日本和美国,CMOS的生产一般记忆体/处理器机台即可担负。


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FillFactorCMOS开创新未来CMOS完整3D透视与平面结构,位于最上层的为MicroLens微型聚光镜片尽管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。由于数位影像的需求热烈,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芯片统合,借由后续的影像处理修正杂讯以及画质表现,特别是Canon系列的EOSD30、EOS300D的成功,足见高速影像处理芯片已经可以胜任高画素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KodakDCSPro14n、DCSPro/n、DCSPro/c这一系列的数位机身为号召,CMOS未来跨足高阶的影像市场产品,前景可期。