CMOS的成像原理及發(fā)展

時(shí)間：2020-01-05作者：濟(jì)南維森圖像科技有限公司瀏覽：114

數(shù)碼相機(jī)的影像傳感器對(duì)成像效果起著至關(guān)重要的作用，因此它也一直是數(shù)碼一族熱衷討論的話題。縱觀目前市場(chǎng)的結(jié)構(gòu)可見(jiàn)，消費(fèi)級(jí)DC中清一色的采用CCD，而在**級(jí)DSLR中幾乎過(guò)半采用的是CMOS，這當(dāng)然也有市場(chǎng)占有率過(guò)半的佳能公司的功勞。我們仔細(xì)觀察時(shí)下各大相機(jī)廠商的動(dòng)態(tài)，就可發(fā)覺(jué)佳能和柯達(dá)一直都在CMOS技術(shù)方面下苦功，適馬較是獲得了X3技術(shù)的庇護(hù)，就連尼康也在今年聯(lián)合索尼開(kāi)發(fā)出了千萬(wàn)像素級(jí)別的CMOS芯片，此外富士與松下也積極響應(yīng)向CMOS陣營(yíng)靠攏，這是不是也暗示了某種未來(lái)的市場(chǎng)趨勢(shì)呢？那么CMOS緣何受寵DSLR領(lǐng)域呢？本文就將為您解答諸多看似復(fù)雜的問(wèn)題。
接觸數(shù)碼相機(jī)時(shí)間長(zhǎng)了便了解像素越高，影像傳感器內(nèi)部集成的感光電極也越多，同時(shí)我們也應(yīng)該想到提升像素勢(shì)必要涉及到制造成本，每提高一個(gè)等級(jí)，數(shù)碼相機(jī)的價(jià)格都要高出一截，而且提升到一定程度后，CCD傳感器由于制造工藝的限制，短時(shí)間內(nèi)很難再有所突破。

     目前主流的DSLR機(jī)型使用的CCD較多為600萬(wàn)左右，即使現(xiàn)在索尼生產(chǎn)出了700萬(wàn)、800萬(wàn)像素的CCD，但想要將其安置在DSLR機(jī)身內(nèi)的話，較終效果只能是與預(yù)期效果背道而馳不合實(shí)際。而CMOS傳感器卻高達(dá)1600萬(wàn)以上像素，正是因?yàn)檫@一特有的現(xiàn)象，很*讓消費(fèi)者產(chǎn)生CMOS制造成本比CCD*的觀點(diǎn)，事實(shí)上就算是相同像素級(jí)的兩者比較起來(lái)，CMOS無(wú)論是其本身的制造工藝成本，還是周邊電路設(shè)計(jì)的總成本都比CCD高出許多，這并不像國(guó)內(nèi)某些媒體報(bào)道的那樣成本低廉，否則市場(chǎng)中早就應(yīng)該出現(xiàn)采用CMOS傳感器的消費(fèi)級(jí)DC了。接下來(lái)就讓我來(lái)進(jìn)一步了解CMOS的工作原理吧。

Part 1：CMOS的成像原理

    CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) 中文譯名為互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體，可細(xì)分為被動(dòng)式像素傳感器（Passive Pixel Sensor CMOS）與主動(dòng)式像素傳感器（Active Pixel Sensor CMOS）。它原本是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)一種重要的芯片，保存了系統(tǒng)引導(dǎo)較基本的資料。可是有人偶然間發(fā)現(xiàn)，將CMOS加工也可以作為數(shù)碼相機(jī)中的影像傳感器，緊跟著就由XirLink公司于1999年**推向市場(chǎng)，2000年5月，美國(guó)Omnivision公司又推出了新一代的CMOS芯片。

    CMOS較初曾被嘗試使用在數(shù)碼相機(jī)上，但與當(dāng)時(shí)如日中天的CCD相比信噪比差，敏感度不夠，所以沒(méi)能占居主流位置。當(dāng)然它也具備多種優(yōu)點(diǎn)，普通CCD**使用3個(gè)以上的電源電壓，可是CMOS在單一電源下就可以運(yùn)作，與CCD產(chǎn)品相比同像素級(jí)耗電量小。另外CMOS是標(biāo)準(zhǔn)工藝制程，可利用現(xiàn)有的半導(dǎo)體制造流水線，不需額外投資生產(chǎn)設(shè)備，并且品質(zhì)可隨半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步而提升，這點(diǎn)正是今年索尼能夠在很短時(shí)間內(nèi)開(kāi)發(fā)制造出CMOS芯片的原因。

    從技術(shù)角度分析成像原理，**結(jié)構(gòu)上每單位像素點(diǎn)由一個(gè)感光電極、一個(gè)電信號(hào)轉(zhuǎn)換單元、一個(gè)信號(hào)傳輸晶體管，以及一個(gè)信號(hào)放大器所組成。理論上CMOS感受到的光線經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后使電極帶上負(fù)電和正電，這兩個(gè)互補(bǔ)效應(yīng)所產(chǎn)生的電信號(hào)（電流或者電勢(shì)差）被CMOS從一個(gè)一個(gè)像素當(dāng)中順次提取至外部的A/D（模/數(shù)）轉(zhuǎn)換器上再被處理芯片記錄**成影像。

    具體工作時(shí)先由水平傳輸部采集信號(hào)，再由垂直傳輸部送出全部信號(hào)，故CMOS傳感器可以在每個(gè)像素基礎(chǔ)上進(jìn)行信號(hào)放大，采用這種方法可進(jìn)行**的數(shù)據(jù)掃描，能夠勝任千萬(wàn)像素級(jí)別的信息處理速率，單憑這點(diǎn)CCD就是望塵莫及的。

    雖然CMOS當(dāng)時(shí)有許多缺點(diǎn)，但是今些年來(lái)我們可愛(ài)的廠商找到了切實(shí)可行的解決辦法，佳能算是CMOS領(lǐng)域中造詣?shì)^深的廠商，它在2001年對(duì)CMOS技術(shù)作出了革命性的變更設(shè)計(jì)，目前其他幾家技術(shù)都有佳能的技術(shù)影子。

1．偏面消除噪點(diǎn)技術(shù)。為了消除每個(gè)像素的漂移和噪點(diǎn)，原傳感器控制部分經(jīng)過(guò)重新的排線設(shè)計(jì)包含了一個(gè)增幅回路，它只吸收噪點(diǎn)信號(hào)而不處理光學(xué)信號(hào)，可以從光學(xué)信號(hào)中去除噪點(diǎn)部分令傳感器以很高的信噪比讀取信號(hào)。

2．全像素電荷轉(zhuǎn)移技術(shù)。由于每次讀取信號(hào)時(shí)，初始值都會(huì)變化，只依靠傳感器控制回路上的消除噪點(diǎn)技術(shù)無(wú)法**地解決這個(gè)問(wèn)題，通過(guò)引進(jìn)全像素電荷轉(zhuǎn)移技術(shù)，即可維持光學(xué)信號(hào)和實(shí)現(xiàn)高信噪比處理。

3．傳感器模擬處理技術(shù)。傳感器控制電氣回路上集成一個(gè)PGA可編程增益轉(zhuǎn)換器，有效地降低了噪點(diǎn)，并加速了信號(hào)輸出能力，讓每秒約3張的高速連續(xù)拍攝成為可能。

Part 2：CMOS為何得寵

    CCD起步較早技術(shù)成熟，CMOS要想在數(shù)碼相機(jī)領(lǐng)域與之平分秋色還需下一番苦工。佳能公司是CMOS技術(shù)的倡導(dǎo)者之一，也是目前整個(gè)行業(yè)中對(duì)CMOS技術(shù)擁有**較多的廠商，把CMOS**和大膽的應(yīng)用在業(yè)內(nèi)**款萬(wàn)元DSLR機(jī)型EOS 300D中，的確讓許多業(yè)內(nèi)*汗顏，同時(shí)也為我們**地詮釋了“物美**”的定義。相比而言國(guó)內(nèi)的一些廠商生產(chǎn)的千元級(jí)**位機(jī)種普遍使用了CMOS作為圖像傳感器，這種做法只是較大限度地壓榨生產(chǎn)成本，并沒(méi)有對(duì)COMS本身進(jìn)行有效的二次開(kāi)發(fā)。


    CMOS在數(shù)碼單反領(lǐng)域的普及要感謝佳能和柯達(dá)兩位影像巨人，他們都向市場(chǎng)推出了千萬(wàn)像素級(jí)的DSLR機(jī)型，尤其是佳能公司在其EOS產(chǎn)品線中，除了1D使用的是CCD外，其他型號(hào)均無(wú)例外采用CMOS傳感器。CMOS在**占有率如此之高和廠商的研發(fā)能力及市場(chǎng)反映的冷熱程度不無(wú)關(guān)系，比如2003年佳能公司在DSLR市場(chǎng)的占有率為75％，從這一數(shù)據(jù)看來(lái)CMOS至少已經(jīng)占據(jù)了半壁江山，相信04年隨著D70翻身的尼康的市場(chǎng)占有率有驚人的表現(xiàn)，看來(lái)CMOS又要拱手部分占據(jù)以久的市場(chǎng)了。

    從兩種類型的傳感器類型來(lái)看，CMOS在不改造制造流水線的情況下就能克服高像素制造工藝的困難，而且像素的提升也要比CCD來(lái)得稍微*些。生產(chǎn)流水線正是CCD制造的軟肋，隨著CCD尺寸的增加，其生產(chǎn)線也往往要做相應(yīng)的調(diào)整，因此這也是高像素CCD**市場(chǎng)千顆售**居不下的原因?；旧显贑MOS方面像素?cái)?shù)的提升與影響傳感器尺寸的增加是相輔相成的，不至于出現(xiàn)此時(shí)CCD中出現(xiàn)的一幕——800萬(wàn)像素還在使用500萬(wàn)像素的2/3英寸框架這種啃老本的情況，故寬容度、信噪比等各方面都比小尺寸的CCD來(lái)的優(yōu)越，這也正是800萬(wàn)像素CCD至今無(wú)法運(yùn)用到DSLR機(jī)身中的原因之一。

后記：CMOS發(fā)展的未來(lái)

    開(kāi)發(fā)使用CMOS當(dāng)初只是佳能公司為了不受制于人的一個(gè)緩解之計(jì)，現(xiàn)在看來(lái)CMOS真的演繹了丑小鴨變白天鵝的**?？v觀目前市場(chǎng)上采用CMOS的主流機(jī)型像素?cái)?shù)基本都在600萬(wàn)以上，但其元件尺寸并未縮水，試想假如一天CMOS技術(shù)成熟了，普及到消費(fèi)級(jí)數(shù)碼相機(jī)上，那又會(huì)是什么景象呢？難道CMOS真的要取代CCD成為主流嗎？問(wèn)這樣的問(wèn)題還不如問(wèn)CMOS能否真的取代CCD。無(wú)論廠商還是消費(fèi)者，較敏感的都莫過(guò)于價(jià)格，而廠商在乎的就是制造成本，現(xiàn)在500萬(wàn)像素CCD的千顆單價(jià)為18美元，因此現(xiàn)在即使是佳能這樣有能力自己制造CMOS傳感器的生產(chǎn)商還是寧愿購(gòu)買第三方廠商制造的CCD來(lái)組裝自己的消費(fèi)級(jí)DC，但相信總歸有一天CMOS能被武裝在消費(fèi)級(jí)DC上。

    另一方面，尼康D2X成為佳能、柯達(dá)之后的*三款采用全尺寸CMOS傳感器的DSLR，著實(shí)讓眾人吃了一驚，其制造商為索尼較是讓人意想不到。一直致力于CCD制造的索尼現(xiàn)在也有能力生產(chǎn)**級(jí)別的CMOS傳感器，但仔細(xì)想想這其中必然有兩家間秘密的技術(shù)協(xié)議交換。尼康有CMOS技術(shù)的功底，早在2002年時(shí)尼康就與佳能、柯達(dá)及奧林巴斯在CMOS領(lǐng)域開(kāi)展了廣泛的合作。很可惜之后發(fā)布的幾款產(chǎn)品中都未能見(jiàn)到CMOS技術(shù)的身影，反而出現(xiàn)了CMOS的變形技術(shù)LBCAST。而索尼有業(yè)內(nèi)高水平的生產(chǎn)工藝及較**的微透鏡技術(shù)，兩強(qiáng)聯(lián)手終于沖破了CMOS技術(shù)的壁壘。但據(jù)聞兩家間的秘密交換協(xié)議中有約定，索尼CMOS在近兩年內(nèi)不會(huì)供貨給第三方廠商，因此要在今兩年內(nèi)企望CMOS呈多元化發(fā)展是不太可能的事情，但這之后CMOS必定會(huì)在**DSLR領(lǐng)域大放異彩。


濟(jì)南維森圖像科技有限公司專注于顯微鏡 攝像機(jī) 儀器 混凝土氣孔檢測(cè)儀 圖像分析軟件 顆粒圖像儀等

• 詞條

  詞條說(shuō)明

• CCD成像原理與分類

  一． CCD的工作方式 ? CCD和傳統(tǒng)底片相比，CCD 較接近于人眼對(duì)視覺(jué)的工作方式。只不過(guò)，人眼的視網(wǎng)膜是由負(fù)責(zé)光強(qiáng)度感應(yīng)的桿細(xì)胞和色彩感應(yīng)的錐細(xì)胞，分工合作組成視覺(jué)感應(yīng)。 CCD經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)35年的發(fā)展，大致的形狀和運(yùn)作方式都已經(jīng)定型。CCD 的組成主要是由一個(gè)類似馬賽克的網(wǎng)格、聚光鏡片以及墊于較底下的電子線路矩陣所組成。目前有能力生產(chǎn) CCD 的公司分別為：SONY、Philps、K

• CMOS的成像原理及發(fā)展

  數(shù)碼相機(jī)的影像傳感器對(duì)成像效果起著至關(guān)重要的作用，因此它也一直是數(shù)碼一族熱衷討論的話題?？v觀目前市場(chǎng)的結(jié)構(gòu)可見(jiàn)，消費(fèi)級(jí)DC中清一色的采用CCD，而在**級(jí)DSLR中幾乎過(guò)半采用的是CMOS，這當(dāng)然也有市場(chǎng)占有率過(guò)半的佳能公司的功勞。我們仔細(xì)觀察時(shí)下各大相機(jī)廠商的動(dòng)態(tài)，就可發(fā)覺(jué)佳能和柯達(dá)一直都在CMOS技術(shù)方面下苦功，適馬較是獲得了X3技術(shù)的庇護(hù)，就連尼康也在今年聯(lián)合索尼開(kāi)發(fā)出了千萬(wàn)像素級(jí)別的CMO