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)碼相機中可記錄光線變化的半導(dǎo)體，通常以百萬像素(megapixel)為單位。數(shù)碼相機規(guī)格中的多少百萬像素，指的就是CCD的分辨率，也就是指這臺數(shù)碼相機的CCD上有多少個感光組件。
CCD上感光組件的表面具有儲存電荷的能力，并以矩陣的方式排列。當(dāng)其表面感受到光線時，會將電荷反應(yīng)在組件上，整個CCD上的所有感光組件所產(chǎn)生的信號，就構(gòu)成了一個完整的畫面。因此，CCD通常用在數(shù)碼相機(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”。你一定覺得很奇怪，為什么“鏡頭”會直接做在CCD上呢？

第一層“微型鏡頭”
其實，這是一個英語翻譯上的語誤：“ON-CHIP MICRO LENS”，它是1980年初，由SONY領(lǐng)先發(fā)展出來的技術(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，必須擴展單一像素的受光面積。但利用提高開口率(采光率)來增加受光面積，反而使畫質(zhì)變差了。所以，開口率只能提升到一定的極限，否則CCD將成為劣品。為改善這個問題，SONY率先在每一感光二極管上(單一像素)裝置微小鏡片。這個設(shè)計就像是幫CCD戴上眼鏡一樣，感光面積不再因為傳感器的開口面積而決定，而改由微型鏡片的表面積來決定。如此一來，可以同時兼顧單一像素的大小，又可在規(guī)格上提高開口率，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，另一個則是CMYG補色分色法。這兩種方法各有優(yōu)缺點。不過以產(chǎn)量來看，原色和補色CCD的產(chǎn)量比例約在2比1左右。
原色CCD的優(yōu)勢在于畫質(zhì)銳利，色彩真實，但缺點則是噪聲問題。因此，大家可以注意，一般采用原色CCD的數(shù)碼相機，在ISO感光度上多半不會超過400。相對的，補色CCD多了一個Y黃色濾色器，在色彩的分辨上比較仔細，但卻犧牲了部分影像的分辨率，而在ISO值上，補色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”，這層主要是負責(zé)將穿過濾色層的光源轉(zhuǎn)換成電子信號，并將信號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)來看1.8寸CCD理想值約為六百萬像素，而在成本和制造合格率的考慮下修正至四百萬是合理值)。因此，有些廠商很聰明的想出改變CCD的排列順序，希望由此增強解析度。FUJI Fine Pix 4700就是采用這種作法。FUJIFILM所開發(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，以實現(xiàn)其更大化。因為像素的形狀及垂直方向的差較少，成為近似八角形，使受光部分變大。實現(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240萬畫素升級到430萬！盡管效果如此驚人，然而還是要看到實際的測試報后才能判定這樣的效果到底增強了多少分辨率。

二、CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor，互補性氧化金屬半導(dǎo)體
CMOS和CCD一樣同在數(shù)碼相機中可記錄光線變化的半導(dǎo)體。CMOS的制造技術(shù)和一般計算機芯片沒有什么差別，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(帶負電)級的半導(dǎo)體，這兩個互補效應(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的缺點就是太容易出現(xiàn)雜點， 這主要是因為早期的設(shè)計使CMOS在處理快速變化的影像時，由于電流變化過于頻繁而會產(chǎn)生過熱的現(xiàn)象。
那么你會問CMOS還有什么優(yōu)勢？其實CMOS對抗CCD的優(yōu)勢在于成本低，耗電需求少， 便于制造， 可以與影像處理電路同處于一個芯片上。但由于上述的缺點，CMOS 只能在經(jīng)濟型的數(shù)碼相機市場中生存。

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”，因為高端的數(shù)碼相機中使用CMOS實在非常的罕見。然而就最近在DPREVIEW上看到的CANON D30 BETA所公布的實測相片看來CMOS似乎已經(jīng)突破以往的不足，其效果是直逼CCD。目前尚無法得知的是究竟CANON D30改良了原先CMOS的設(shè)計，還是在解讀圖像的芯片上做了革命性的改良。不可否認的，CMOS只有CCD三分之一左右的耗電量， 這對電池效能需求日益殷切的數(shù)碼相機來說朝向CMOS發(fā)展或許是開發(fā)未來新機種的解決之道。