CMOS与CCD有什么区别?
2015-Aug-12
普通消费级应该选CCD镜头,高档单反相机很多采用CMOS的镜头!说到CCD的尺寸,其实是说感光器件的面积大小,这里就包括了CCD和CMOS。感光器
普通消费级应该选CCD镜头,高档单反相机很多采用CMOS的镜头!
说到CCD的尺寸,其实是说感光器件的面积大小,这里就包括了CCD和CMOS。感光器件的面积大小,CCD/CMOS面积越大,捕获的光子越多,感光性能越好,信噪比越低。CCD/CMOS是数码相机用来感光成像的部件,相当于光学传统相机中的胶卷。
CCD上感光组件的表面具有储存电荷的能力,并以矩阵的方式排列。当其表面感受到光线时,会将电荷反应在组件上,整个CCD上的所有感光组件所产生的信号,就构成了一个完整的画面。
传统的照相机胶卷尺寸为35mm,35mm为对角长度,35mm胶卷的感光面积为36 x 24mm。换算到数码相机,对角长度约接近35mm的,CCD/CMOS尺寸越大。在单反数码相机中,很多都拥有接近35mm的CCD/CMOS尺寸,例如尼康德D100,CCD/CMOS尺寸面积达到23.7 x 15.6,比起消费级数码相机要大很多,而佳能的EOS-1Ds的CMOS尺寸为36 x 24mm,达到了35mm的面积,所以成像也相对较好。
现在市面上的消费级数码相机主要有2/3英寸、1/1.8英寸、1/2.7英寸、1/3.2英寸四种。CCD/CMOS尺寸越大,感光面积越大,成像效果越好。1/1.8英寸的300万像素相机效果通常好于1/2.7英寸的400万像素相机(后者的感光面积只有前者的55%)。而相同尺寸的CCD/CMOS像素增加固然是件好事,但这也会导致单个像素的感光面积缩小,有曝光不足的可能。但如果在增加CCD/CMOS像素的同时想维持现有的图像质量,就必须在至少维持单个像素面积不减小的基础上增大CCD/CMOS的总面积。目前更大尺寸CCD/CMOS加工制造比较困难,成本也非常高。因此,CCD/CMOS尺寸较大的数码相机,价格也较高。感光器件的大小直接影响数码相机的体积重量。超薄、超轻的数码相机一般CCD/CMOS尺寸也小,而越专业的数码相机,CCD/CMOS尺寸也越大。
其实,CCD也有两种:全帧(full frame)的和隔行(interline)的。这两种CCD的性能区别非常大。
总的来说,全帧的CCD性能最好。其次是隔行的CCD。CMOS的综合性能最差。
full frame CCD最突出的优势是分辨率和动态范围。最弱的地方就是贵,耗电。
CMOS最差的地方是分辨率,动态范围和噪声。优势就是便宜,省电。
interline CCD比CMOS强的地方在于噪声。
总的来说,两种CCD的颜色还原都比CMOS强。
现在一般的消费级数码相机,在宣传上都不说是Full frame CCD还是Interline CCD。当然多数都是后者。专业级的数码相机,肯定是前者。所以,Full frame CCD 和Interline CCD间的区别,都存在于专业级数码相机和消费级机之间。当然,专业级数码相机彩用的大面积CCD带来的好处更突出
CCD:电荷藕合器件图像传感器CCD(Charge Coupled Device),它使用一种高感光度的半导体材料制成,能把光线转变成电荷,通过模数转换器芯片转换成数字信号,数字信号经过压缩以后由相机内部的闪速存储器或内置硬盘卡保存,因而可以轻而易举地把数据传输给计算机,并借助于计算机的处理手段,根据需要和想像来修改图像。CCD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,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画面。
CCD和传统底片相比,CCD更接近于人眼对视觉的工作方式。只不过,人眼的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。 CCD经过长达35年的发展,大致的形状和运作方式都已经定型。CCD的组成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。目前有能力生产CCD 的公司分别为:SONY、Philps、Kodak、Matsushita、Fuji,三星和Sharp等。
CMOS:互补性氧化金属半导体CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor)和CCD一样同为在数码相机中可记录光线变化的半导体。CMOS的制造技术和一般计算机芯片没什么差别,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–电) 和 P(带+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。然而,CMOS的缺点就是太容易出现杂点, 这主要是因为早期的设计使CMOS在处理快速变化的影像时,由于电流变化过于频繁而会产生过热的现象。
CCM:CCM其实就是CMOS镜头,只是CCM的画质比CMOS高一点,拍照时感应速度也较快,但以照片品质来说还是逊色于CCD镜头,在实际拍摄中也可以感觉出来,取景速度非常快,就算迅速移动手机摄像头时,屏幕都可以迅速显示所捕抓的画面,过程非常流畅,几乎没有什么延迟。
由两种感光器件的工作原理可以看出,CCD的优势在于成像质量好,但是由于制造工艺复杂,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,价格非常高昂。同时,这几年来,CCD从30万像素开始,一直发展到现在的600万,像素的提高已经到了一个极限。
在相同分辨率下,CMOS价格比CCD便宜,但是CMOS器件产生的图像质量相比CCD来说要低一些。到目前为止,市面上绝大多数的消费级别以及高端数码相机都使用CCD作为感应器;CMOS感应器则作为低端产品应用于一些摄像头上,若有哪家摄像头厂商生产的摄想头使用CCD感应器,厂商一定会不遗余力地以其作为卖点大肆宣传,甚至冠以“数码相机”之名。一时间,是否具有CCD感应器变成了人们判断数码相机档次的标准之一。
CMOS影像传感器的优点之一是电源消耗量比CCD低,CCD为提供优异的影像品质,付出代价即是较高的电源消耗量,为使电荷传输顺畅,噪声降低,需由高压差改善传输效果。但CMOS影像传感器将每一画素的电荷转换成电压,读取前便将其放大,利用3.3V的电源即可驱动,电源消耗量比CCD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与讯号处理器整合在一起,使体积大幅缩小,例如,CMOS影像传感器只需一组电源,CCD却需三或四组电源,由于ADC与讯号处理器的制程与CCD不同,要缩小CCD套件的体积很困难。但目前CMOS影像传感器首要解决的问题就是降低噪声的产生,未来CMOS影像传感器是否可以改变长久以来被CCD压抑的宿命,往后技术的发展是重要关键。
对于CMOS来说,具有便于大规模生产,且速度快、成本较低,将是数字相机关键器件的发展方向。目前,在CANON等公司的不断努力下,新的CMOS器件不断推陈出新,高动态范围CMOS器件已经出现,这一技术消除了对快门、光圈、自动增益控制及伽玛校正的需要,使之接近了CCD的成像质量。
另外由于CMOS先天的可塑性,可以做出高像素的大型CMOS感光器而成本却不上升多少。相对于CCD的停滞不前相比,CMOS作为新生事物而展示出了蓬勃的活力。作为数码相机的核心部件,CMOS感光器以已经有逐渐取代CCD感光器的趋势,并有希望在不久的将来成为主流的感光器。
告别CCD 单反数码相机反应快速性能飞升
单反数码相机市场正在急剧扩大。随着性能的提高和价格的下降,单反相机涵盖的用户层日益广泛,单反相机普及浪潮的兴起得益于最近摄影元件的技术革新。
所谓的摄影元件就是指将镜头获取的光学图像转换成电信号,并发送到图像处理系统的半导体元件。如果将镜头比喻为人的眼球、将图像处理系统比喻为人的大脑,那么摄影元件就相当于视网膜。现在的镜头一体型数码相机中,摄影元件多使用CCD(电荷耦合器件),但为了提高单反相机的性能,目前一种新的电子元件正在不断被开发出来。
尼康在上市的数码单反相机“D2H”中配备了一种名为称“LBCAST”的摄影元件。D2H是2001年发售的面向专业用户的高级相机“D1H”的后续机型。与摄影元件使用CCD的D1H相比,D2H的特点是耗电量大幅降低、而且按下快门时的反应速度非常快。
将“时间差”缩短到0.037秒
使用原来的数码相机拍摄跑动中的孩子等对象时,有时即使是按照把拍摄对象拍摄到画面中央来按下快门的,实际拍出的照片对象已经跑到了照片的边角上。这是因为从按快门到实际保存图像之间存在被称为“释放时滞”的时间差。D2H将这一时间缩短到了0.037秒。通过这一改进,新机型实现了8帧/秒的连拍功能。
尼康影像公司开发本部第4开发部经理高木忠雄表示,“D2H主要面向体育和新闻记者等需要拍摄大量照片的专业人士,因此必须配备耗电量小、擅长拍摄运动对象的摄影元件”。
LBCAST以手机相机等使用的摄影元件--CMOS(互补金属氧化物半导体)传感器技术为基础开发而成。那么,LBCAST、CMOS、CCD之间有何区别呢?为了理解LBCAST的特性,让我们首先来了解一下三者的区别。
摄影元件是靠其中的像素获取光学信号,并将光信号转换成电信号。在这一点上,三者完全相同,但在将电信号传输到图像处理系统时的信号放大方式则不尽相同。
CCD只在信号的“出口”端线上配备了一个信号放大器。因此,必须将像素转换得来的电信号按顺序排列并发送到出口的放大器上。也就是说,每个像素转换的电信号在布线上如同接力棒一样被依次传送。
而LBCAST、CMOS采用了每个像素附带放大器、分别放大电信号的方式。由于无需像CCD一样依次排列电信号,因此向图像处理系统传送的信号速度大大加快。
摄影元件的像素为有规律地排列的红、绿、蓝三种颜色。在CCD中,由于将这三种类型像素的电信号发送到1个功放中,因此信号的读取也必须是一个系统。但是,在LBCAST、CMOS中,可以利用多个系统读取每种颜色,这种方式也有助于提高速度。
下面让我们看一下LBCAST和CMOS之间的差异。
无论是LBCAST还是CMOS均通过附带在每个像素中的放大器来放大电信号,但这一动作进行之前,必须测量需要放大的信号的电荷量。两者最大的区别就在于电荷量的测量过程上。
CMOS通过暂时将电信号发送到像素中的“浮动散层”,然后再通过布线传输到放大器的门电路来测量电荷量。而LBCAST将这些过程集中进行,与CMOS相比,