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  banguijiu 2013-06-13 00:00:00

  CCD成像要比CMOS成像好

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  miseryhrawi 2013-06-13 00:00:00

  CCD技术与CMOS技术的概念与区别 　　CCD（The Charged Coupled Device即电荷耦合器件)是Z常用的感光器件，被广泛应用于扫描仪、数码相机、数码摄像机等产品。CCD器件通过光电效应收集电荷，每行像素的电荷随时钟信号被送到模拟移位寄存器上，然后串行转换为电压。大多数硅片面积用于光线的收集，光线收集得越多释放的电荷越多。在设计中，CCD器件要有极高的信噪比、感光灵敏度和良好的动态范围。要实现这一目标，需要专门处理器、高电压、多重电源和偏置以及像素点的紧密排列，以构成高分辨率的阵列。CCD生产过程复杂、产量低、成品率底，导致了高成本，因此CCD器件十分昂贵。 　　CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor，即互补金属氧化物半导体)器件是一种可大规模生产的集成电路，具有成品率高、价格低等特点，相对于CCD而言，CMOS器件技术有一些明显的特点： 1、集成度高 　　CMOS器件几乎可以将相机所需的全部捕获功能集成到一块芯片上， 因为CMOS器件成像元件尺寸更小，可以有更多地方放置电路，它甚至可以将模数转换控制芯片集成在一起，图像数据不必在迷宫般的电路中被传来送去，因此极大地提高了捕获速度。而且CMOS器件更加省电，其功耗仅相当于CCD的1/8。 　　2、有价格优廉 　　CMOS器件结构简单，从而成品率高，制造成本低。这样CMOS器件价格上就比CCD有了优势。当前只有索尼、富士等五家大公司能生产CCD。但是，对于CMOS器件，任何有0.35微米技术的企业都可生产，竞争将使价格下降。目前30万像素的CMOS传感器已降到20美元左右，比CCD便宜，而在像素市场上，价格也将很快会降下来。 　　3、相对的缺点 　　相对于CCD器件来说，CMOS器件也有它的缺点，对光线的灵敏度不好，信噪比也很低，这导致了其在成像质量上难以与CCD抗衡。但新的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，还有的技术在每一像素上放一个ADC，降低了噪声。主动像素传感器(APS)技术提高了信噪比和影像效率，并接近了CCD的成像质量。当然，CMOS器件目前还不能在高端数码相机上与CCD竞争。但是在消费级数码相机市场上，CMOS器件已经开始成熟，并且将在未来数年内成为数码相机低端市场的主导技术。 CCD技术：保证影像杰出 　　CCD（Charge Coupled Device）--电荷耦合器件，是由美国贝尔实验室于1969年发明的。和PMT（Photo Multiplier Tube）--光学倍增管一样，它们都是很成功的电子影像感应器，又称为光学感应器。CCD与PMT现已广泛应用在诸多科学产品上，如传真机、 扫描仪、天文望远镜等。而CCD则更多地应用于数码相机、摄像机等一些小型化的产品上。传统CCD的工作原理就像一台复印机，利用高亮度的光源，将稿件依次经过反射镜、投射镜和分光镜，反射在CCD元件上。CCD的结构可以形象比喻为一个正在旋转的巨大的走马灯，灯上并排排列着许多窗口，按照一定的顺序，测量某一时间段内从每个窗口进入的光。早期的CCD基本上是隔行扫描的，所以图像精度不高。现在一般都是逐行扫描，从而保证了较高的分辨率。CCD体积虽只有大小，却非常耐用。 　　采用CCD技术的传感器总体分为两大类，分别是通用型CCD传感器和特殊型CCD传感器。 　　硅片与专业大尺寸CCD传感器组件 　　通用型CCD传感器，在CCD摄像机方面有了较大的发展。Z初CCD摄像机的工作电压，有+24V、+22V、+12V和+5V等多种。随着计算机和网络技术的高速发展，为与PC摄像机和网络图形传输相配合，现在一般分为+12V与+5V两种工作电压，其中通用工作电压为+12V。为了降低CCD摄像机的成本，并且提高质量，现在许多生产厂家都在致力于CCD摄像机的小型化和数字化。多层板多芯片集成模块化的制造技术，实现了CCD摄像机的小型化。而DSP数字化处理替代模拟系统的实现，也使CCD摄像机的数字化成为现实。同时CCD摄像机的产品也日趋多样化，如家庭摄录一体机、电视电话、扫描仪、PDA、数码单反相机(DSC)等都在逐渐为人们所熟知。特殊型CCD传感器的主要产品有电子轰击式CCD和EBCD等。 　　CCD应用：保证性能稳定 　　伴随着计算机的广泛普及，PC摄像头作为计算机的图像输入系统，也在飞速进入各个家庭。而且借助网络，也能实现视频及音频的同步通讯。 　　扫描仪技术的迅猛发展，使得扫描仪的性能日趋优化，但价格却越来越低，使扫描仪真正进入了寻常百姓的家庭。越来越多的用户在购买计算机的时候，将扫描仪作为标准配置。扫描仪的广泛使用，提高了各种资料和图表的输入速度，通过互联网也实现了资料的共享。 　　数码单反相机作为近年来发展起来的新产品， 是一种新型图像捕捉设备。数码相机使用CCD光敏器件代替胶卷感光成像，其原理就是CCD元件的光电效应。在数码相机中，当光线透过镜头传送到CCD后，CCD会将其转换为电子信号，再由A/D转换器变为数字信号，传到DSP上，Z后存储于记录媒体中。这其中，CCD起了非常重要的作用。CCD是数码相机的核心部件，也是其中Z昂贵的部件，因为CCD的成本决定了数码相机的价格。而光敏器件中CCD元件的数量，决定了数码相机的关键性能--分辨率。不同品牌的数码相机在技术上存在许多差异，如索尼、富士、奥林巴斯等均有不同的表现。 　　高清晰的数码相机，不断需要CCD有更多并且更小的像素点。鉴于此，索尼已开发1/2英寸光学系统的隔行CCD，以期达到业界Z高水准的性能。同时用户也对CCD的分辨率、感光度（ISO）、信噪比等提出了更高的要求。正是在这种环境下，富士胶片公司推出了其独自研发的新型CCD--"超级"CCD。 　　从70年代发明了CCD到现今，随着技术的发展，CCD已经由Z初的隔行扫描，分辨率低，图像精度不高，发展到现在的逐行扫描，分辨率达到1200dpi，甚至可以达到3000 dpi。而且，色彩还原日渐丰富，图像精度不断提高。应用CCD技术的相关产品也在快速发展。现在，大部分影像产品都采用CCD技术，这也从侧面反映它在日渐完善和成熟。 CCD技术的新发展——超级CCD技术 　　原则上，CCD精度越高，拍摄精度越高。同时它也是划分数码相机档次的核心标准。传统的CCD技术采用矩形光敏器件横竖规则排列的方式，在保持一定灵敏度和信噪比的前提下，如果要提高分辨率只能再增加CCD的面积，将造成数码相机制造成本的急剧上升。于是富士公司便开始在CCD的技术上下功夫。 　　富士的工程师发现，在我们的眼睛里，光线通过角膜和晶状体在视网膜上形成影像，影像被转化为神经信号后，经视神经传送到大脑。当大脑识别了这些信息，我们就称之为视觉。数码相机的光学系统与人眼的结构十分相似，镜头的作用就像眼球，CCD就像视网膜，而LSI信号处理器起着大脑的作用。受此启发，研究人员对人眼视网膜的空间解像力特性进行了反复研究，Z终产生了超级CCD技术。我们来看看超级CCD技术的特点。 　　提高了感光度、信噪比和动态范围 传统CCD里的每个像素都是由一个光电二极管、一个控制信号通路和一个电荷传输通路组成。由于光电二极管是矩形的，其尺寸受到限制。制造商们尽管不断地增加像素以提高影像质量，同时缩小了像素和光电二极管面积，但光吸收的低效率成为提高感光度、信噪比和动态范围的另一个障碍，每个光电二极管都是矩形，而其上面的微透镜则是圆形的———不同的形状必然会降低光吸收效率。 　　超级CCD采用了一个较好的解决方法：它的像素都按45°角排列以形成一个蜂窝的图形。控制信号通路被取消了，为光电二极管留出更多的空间。光电二极管是八角形的，非常接近微透镜的圆形，因此可以更有效地吸收光。超级CCD把无助于影像记录的空间减少到Z低限度，集光效率大大提高，感光度和信噪比也得到提高，动态范围得以扩大。 　　水平和垂直分辨率得到提高 对人类视觉的全面研究表明，图像信息的空间频率功率都聚集在水平和垂直轴上，Z低的功率在45°对角线上，这个效应是由地心引力以及其他因素造成的。这与影像传感器的Z终效果有着明确的关系———水平轴和垂直轴上是提高分辨率的关键，而对角线上高频特性的损失对影像质量几乎没有影响。 　　这就是超级CCD的设计思想——把处于45°角的像素以蜂窝形式排列。除提高封装密度外，还提高了水平及垂直分辨率，因此它更符合人类视觉的特点。另一个重要因素是有一个专为蜂窝形结构开发的LSI信号处理器。超级CCD和新的信号处理器一起工作，把有效分辨率在原先的水平上提高60％。这就是说只有190万像素的超级CCD，其性能就相当于有300万像素的普通CCD。 　　水平跳跃读出 　虽然跳跃读出像素会大大降低视频图像质量，但由于竖直线条读出速度太慢，传统CCD还必须在视频输出时采用跳跃读出方式。而且传统CCD水平方向的像素中只有两种颜色，必须读出两行数据才能形成彩色。超级CCD每行像素中则包含RGB三种颜色，除了以1/2或其他比率进行垂直跳跃读出外，还可以进行水平1／3跳跃读出，可以获得高质量的30帧／秒视频输出。 　　简单的电子快门 传统CCD中，为了防止相邻像素间的电荷混淆，需要三层聚合物涂层来分隔每个像素单元，这种复杂的结构制造起来会很困难。因此，通常都是用机械快门来代替分隔结构，分两次读出像素的数据。而超级CCD的电荷通道更加宽阔，能够高速传输数据，因此所有像素的数据可以一次读出，只要简单的电子快门就够了。它具有进行快速精确连续拍摄的潜能。 　　我们可以通过下面列举的数据来证明超级CCD技术在数字影像技术方面的发展：分辨率，与新的LSI信号处理器一起工作，超级CCD的有效分辨率比普通CCD高60％；感光度、信噪比、动态范围，加大的光电二极管和效率更高的光吸收性能，使这些指标在300万像素时提高了130％，而且高光部分层次更加丰富；彩色还原，由于信噪比提高，并且有了专为蜂窝结构设计的LSI信号处理器，彩色还原能力提高了50％。 　　超级CCD给数码影响的发展和普及带来了新的挑战和机遇。首推这项技术的富士公司更是不遗余力将超级CCD技术应用Z新的产品上。目前，富士公司已经推出了第二代超级CCD传感器，在Z新推出的FinePix 6800 zoom上就应用了这块芯片。它具有330万像素传感器，Z高可以获得2832×2128像素的图像文件。FP6800拥有3倍光学变焦的超级EBC非球面镜头。它同时具有摄像头、视频录像功能，能捕获长达160秒的AVI视频画面，还可以作为数码录音机录制60分钟的音频。 CCD技术：面临众多挑战 　　随着CCD技术的不断提高，近年来提出了一种超级CCD技术。超级CCD技术与普通CCD技术的关键区别是，普通CCD技术采用的是普通的矩型光电二极管，而超级CCD技术使用的是八角形光电二极管，且采用了像素的45°蜂窝式排列。八角形光电二极管因其更接近微透的圆形，从而具有更有效的吸收光。光电二极管的加大和光吸收效率的提高，使CCD的感光度有了大幅的提高，所以超级CCD技术比普通CCD技术更具有优势。 　　PMT（Photo Multiplier Tube）——光学倍增管是Z早出现的电子感应器。它内置多个电极，将进入的光线转化为强大的电子讯号。PMT经常应用于出版行业的扫描仪和其他行业的分析仪上。 　　CMOS技术于1998年后开始应用在电子感应器及数码相机领域。diyi代的CMOS原理相对简单，品质也较低。2000年5月，美国Omnivision公司推出了Z新的CMOS芯片。新一代的CMOS芯片灵敏度、信噪比、动态范围等主要性能指标，均比diyi代芯片有显著提高。CMOS价格低廉，外围电路简单，因此许多业内人士推测，CMOS取代CCD的时代不远了。 　　CIS接触式图像传感器则是另外一种光电转换器件。它采用发光二极管作为光源和感光元件，直接接触在稿件表面读取图像数据。CIS结构简单，通常只用于扫描仪。 　　PMT、CCD、CMOS、CIS是目前Z流行的电子感光元件。随着其他三种技术的日臻完善，CCD会在图像成像领域受到更大的挑战。

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