感光元件(COMS芯片/CCD芯片)详解

 什么是摄像机感光元件?

 

摄像机感光元件CCD


 

 

感光元件,又叫图像传感器。是数字摄像机(数码相机)的核心组件,也是至关重要的成像技术。目前市面上主要分为两种:一种是CCD(电荷藕合)元件;另一种是CMOS(互补金属氧化物导体)器件。传统摄像机使用“胶片”作为其记录影片的载体,而数字摄像机则使用感光芯片做为摄像过程中无须更换的成像“胶卷”。某种意义上来讲,摄像机的发展道路,也就是感光元件从低到高的发展道路。

 

CCD(Charge Coupled Device)

 

CCD使用一种高感光度的半导体材料制成,由许多感光单位组成,通常以百万像素为单位。当CCD表面受到光线照射时,每个感光单位会将电荷反映在组件上,即把光线转变成电荷。所有的感光单位所产生的信号加在一起,就构成了一幅完整的图像。然后转再换成数字信号,经过压缩处理保存在存储器中。CCD和传统底片相比,CCD 更接近于人眼视觉的工作方式。只不过,人眼视网膜是由负责光强度感应的杆细胞和色彩感应的锥细胞分工合作组成视觉感应,而CCD 的主要是由一个类似马赛克的网格、聚光镜片以及垫于最底下的电子线路矩阵所组成。 CCD经过长达30多年的发展,大致都已经定型。目前具有CCD生产能力的公司大致有:SONY(索尼)、Philps(飞利浦)、Kodak(柯达)、Panisonic(松下)、Fujifilm(富士)和Sharp(夏普)等。

 

感光芯片CCD和COMS的区别


 

 

CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor)


 

 

COMS和CCD一样,是在数码相机中可记录光线变化的半导体。CMOS主要是利用硅和锗这两种元素所做成的半导体,使其在CMOS上共存着带N(带负电)和 P(带正电)级的半导体,这两个互补效应所产生的电流即可被处理芯片纪录和解读成影像。

 

COMS和CCD感光芯片的区别

 

从两种感光元件的工作原理上看,CCD的更接近于人类肉眼的工作原理,成像质量优于CMOS,但是CCD制造工艺复杂,只有少数的厂商能够掌握,所以导致制造成本居高不下,特别是大型CCD,价格非常昂贵。CCD为提供优异的影像品质的同时,为使电荷传输顺畅,噪声降低,需由高压差改善传输效果,同时也消耗掉较高的电量。

 

CMOS主要问题在于当COMS处理快速变化的影像时,电流变化需要频繁的变化,导致而产生过多的热量,如果暗电流抑制得好就问题不大,否则获得的图像很容易出现杂点。这也诱发了各种基于COMS图像降噪技术的出现。随着人类技术的发展,目前设计良好的COMS摄像机,通过3D降噪技术(3D DNR)已经能获得与CCD相同甚至优于CCD高质量图像。

 

CMOS的优势在于,相同分辨率下则比CCD造价更便宜,并且CMOS的电路不像由二级管组成的CCD电路,几乎没有静态电量消耗。CMOS的耗电量约为普通CCD的1/3。利用3.3V的电源即可驱动。出于这两方面原因,多数手机中数码相机的感光元件基本上都是CMOS的,而高端数码相机都使用CCD作为感应器。

 


CMOS与CCD的图像数据扫描方法也有很大的差别。CCD传感器如果要获得300万像素的图像,可以连续扫描300万个电荷,但是只有在最后一个数据扫描完成之后才能将信号放大成数字信号。CMOS传感器的每个像素都有一个将电荷转化为电子信号的放大器,可以大大节省无效的传输操作,消耗较少量能量就可以快速完成数据扫描,同时在这个过程中噪音也相比也CCD的过程有所降低。

 

CMOS影像传感器的另一优点是与周边电路的整合性高,可将ADC(电流转换器)与信号处理器整合在一起,使体积大幅减小。例如,CMOS影像传感器只需一组电源,CCD却需三、四组电源,由于ADC与信号处理器的制程与CCD不同,要缩小CCD套件的体积非常困难。

 

判断感光元件性能的指标


 

 

对于数码成像设备来说,影响感光元件成像优劣的因素主要有两个方面:

一是感光元件的面积,二是感光元件的色彩深度。

 

1、感光面积

感光元件面积越大,成像较大,相同条件下,能记录更多的图像细节,各像素间的干扰也小,成像质量越好。

 

我们常常在摄像机里看到的1/3"CMOS和1/4"CMOS 这样的参数不解,其实这里的数字1/3"和1/4"是指摄像机感光芯片的面积。分母越大,面积越小。1/3"CMOS(CCD),1/4"CMOS(CCD) 指的是感光元件的面积是三分之一(四分之一)英寸,取的是感光芯片的对角线长度。

 

但需要注意的是:在相同感光面积下,单一像素尺寸越大,捕获的光子越多,感光性能越好。

 

这一点我们举例子来说明一下。

 

我们把感光面积比喻成一个表格。
把三分之一英寸的“表格”划分成2*2阵列,比划分成4*4阵列的感光性能要好。
单一像素尺寸越大,其中每一个单元格的尺寸越大;捕获的光子越多,感光性能越好。 
单元格的面积越大,自然单元格能吸收到的光线越多。

 

所以单纯看是多少万像素,觉得像素越高越好这是不对的,像素不光要看多不多,更要看每个像素大不大。相同感光面积、相同工艺下,单一像素尺寸大的(也就是像素数低的)其实感光性能更好。

 

2、色彩深度

 

除了感光面积之外,感光元件还有一个重要指标,就是色彩深度,也就是我们常在一些图像编辑软件里看到的“色彩位”,指的是用多少位的二进制数字来记录三原色。通俗一点讲,就是能记录的颜色的数量多少与细腻程度。非专业设备的感光元件一般是24位的,高档点的采样时是30位,而记录时仍然是24位,专业级的设备成像器件至少是36位的。