CMOS的成像原理及發(fā)展

時間：2020-01-05作者：濟南維森圖像科技有限公司瀏覽：112

數(shù)碼相機的影像傳感器對成像效果起著至關(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觀目前市場的結(jié)構(gòu)可見，消費級DC中清一色的采用CCD，而在**級DSLR中幾乎過半采用的是CMOS，這當然也有市場占有率過半的佳能公司的功勞。我們仔細觀察時下各大相機廠商的動態(tài)，就可發(fā)覺佳能和柯達一直都在CMOS技術(shù)方面下苦功，適馬較是獲得了X3技術(shù)的庇護，就連尼康也在今年聯(lián)合索尼開發(fā)出了千萬像素級別的CMOS芯片，此外富士與松下也積極響應向CMOS陣營靠攏，這是不是也暗示了某種未來的市場趨勢呢？那么CMOS緣何受寵DSLR領域呢？本文就將為您解答諸多看似復雜的問題。
接觸數(shù)碼相機時間長了便了解像素越高，影像傳感器內(nèi)部集成的感光電極也越多，同時我們也應該想到提升像素勢必要涉及到制造成本，每提高一個等級，數(shù)碼相機的價格都要高出一截，而且提升到一定程度后，CCD傳感器由于制造工藝的限制，短時間內(nèi)很難再有所突破。

     目前主流的DSLR機型使用的CCD較多為600萬左右，即使現(xiàn)在索尼生產(chǎn)出了700萬、800萬像素的CCD，但想要將其安置在DSLR機身內(nèi)的話，較終效果只能是與預期效果背道而馳不合實際。而CMOS傳感器卻高達1600萬以上像素，正是因為這一特有的現(xiàn)象，很*讓消費者產(chǎn)生CMOS制造成本比CCD*的觀點，事實上就算是相同像素級的兩者比較起來，CMOS無論是其本身的制造工藝成本，還是周邊電路設計的總成本都比CCD高出許多，這并不像國內(nèi)某些媒體報道的那樣成本低廉，否則市場中早就應該出現(xiàn)采用CMOS傳感器的消費級DC了。接下來就讓我來進一步了解CMOS的工作原理吧。

Part 1：CMOS的成像原理

    CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) 中文譯名為互補金屬氧化物半導體，可細分為被動式像素傳感器（Passive Pixel Sensor CMOS）與主動式像素傳感器（Active Pixel Sensor CMOS）。它原本是計算機系統(tǒng)內(nèi)一種重要的芯片，保存了系統(tǒng)引導較基本的資料?？墒怯腥伺既婚g發(fā)現(xiàn)，將CMOS加工也可以作為數(shù)碼相機中的影像傳感器，緊跟著就由XirLink公司于1999年**推向市場，2000年5月，美國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)碼相機上，但與當時如日中天的CCD相比信噪比差，敏感度不夠，所以沒能占居主流位置。當然它也具備多種優(yōu)點，普通CCD**使用3個以上的電源電壓，可是CMOS在單一電源下就可以運作，與CCD產(chǎn)品相比同像素級耗電量小。另外CMOS是標準工藝制程，可利用現(xiàn)有的半導體制造流水線，不需額外投資生產(chǎn)設備，并且品質(zhì)可隨半導體技術(shù)的進步而提升，這點正是今年索尼能夠在很短時間內(nèi)開發(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)上每單位像素點由一個感光電極、一個電信號轉(zhuǎn)換單元、一個信號傳輸晶體管，以及一個信號放大器所組成。理論上CMOS感受到的光線經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后使電極帶上負電和正電，這兩個互補效應所產(chǎn)生的電信號（電流或者電勢差）被CMOS從一個一個像素當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。

    具體工作時先由水平傳輸部采集信號，再由垂直傳輸部送出全部信號，故CMOS傳感器可以在每個像素基礎上進行信號放大，采用這種方法可進行**的數(shù)據(jù)掃描，能夠勝任千萬像素級別的信息處理速率，單憑這點CCD就是望塵莫及的。

    雖然CMOS當時有許多缺點，但是今些年來我們可愛的廠商找到了切實可行的解決辦法，佳能算是CMOS領域中造詣較深的廠商，它在2001年對CMOS技術(shù)作出了革命性的變更設計，目前其他幾家技術(shù)都有佳能的技術(shù)影子。

1．偏面消除噪點技術(shù)。為了消除每個像素的漂移和噪點，原傳感器控制部分經(jīng)過重新的排線設計包含了一個增幅回路，它只吸收噪點信號而不處理光學信號，可以從光學信號中去除噪點部分令傳感器以很高的信噪比讀取信號。

2．全像素電荷轉(zhuǎn)移技術(shù)。由于每次讀取信號時，初始值都會變化，只依靠傳感器控制回路上的消除噪點技術(shù)無法**地解決這個問題，通過引進全像素電荷轉(zhuǎn)移技術(shù)，即可維持光學信號和實現(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PGA可編程增益轉(zhuǎn)換器，有效地降低了噪點，并加速了信號輸出能力，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)碼相機領域與之平分秋色還需下一番苦工。佳能公司是CMOS技術(shù)的倡導者之一，也是目前整個行業(yè)中對CMOS技術(shù)擁有**較多的廠商，把CMOS**和大膽的應用在業(yè)內(nèi)**款萬元DSLR機型EOS 300D中，的確讓許多業(yè)內(nèi)*汗顏，同時也為我們**地詮釋了“物美**”的定義。相比而言國內(nèi)的一些廠商生產(chǎn)的千元級**位機種普遍使用了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，并沒有對COMS本身進行有效的二次開發(fā)。


    CMOS在數(shù)碼單反領域的普及要感謝佳能和柯達兩位影像巨人，他們都向市場推出了千萬像素級的DSLR機型，尤其是佳能公司在其EOS產(chǎn)品線中，除了1D使用的是CCD外，其他型號均無例外采用CMOS傳感器。CMOS在**占有率如此之高和廠商的研發(fā)能力及市場反映的冷熱程度不無關(guān)系，比如2003年佳能公司在DSLR市場的占有率為75％，從這一數(shù)據(jù)看來CMOS至少已經(jīng)占據(jù)了半壁江山，相信04年隨著D70翻身的尼康的市場占有率有驚人的表現(xiàn)，看來CMOS又要拱手部分占據(jù)以久的市場了。

    從兩種類型的傳感器類型來看，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)線也往往要做相應的調(diào)整，因此這也是高像素CCD**市場千顆售**居不下的原因?；旧显贑MOS方面像素數(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CCD中出現(xiàn)的一幕——800萬像素還在使用500萬像素的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來的優(yōu)越，這也正是800萬像素CCD至今無法運用到DSLR機身中的原因之一。

后記：CMOS發(fā)展的未來

    開發(fā)使用CMOS當初只是佳能公司為了不受制于人的一個緩解之計，現(xiàn)在看來CMOS真的演繹了丑小鴨變白天鵝的**?？v觀目前市場上采用CMOS的主流機型像素數(shù)基本都在600萬以上，但其元件尺寸并未縮水，試想假如一天CMOS技術(shù)成熟了，普及到消費級數(shù)碼相機上，那又會是什么景象呢？難道CMOS真的要取代CCD成為主流嗎？問這樣的問題還不如問CMOS能否真的取代CCD。無論廠商還是消費者，較敏感的都莫過于價格，而廠商在乎的就是制造成本，現(xiàn)在500萬像素CCD的千顆單價為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)商還是寧愿購買第三方廠商制造的CCD來組裝自己的消費級DC，但相信總歸有一天CMOS能被武裝在消費級DC上。

    另一方面，尼康D2X成為佳能、柯達之后的*三款采用全尺寸CMOS傳感器的DSLR，著實讓眾人吃了一驚，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)**級別的CMOS傳感器，但仔細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年時尼康就與佳能、柯達及奧林巴斯在CMOS領域開展了廣泛的合作。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必定會在**DSLR領域大放異彩。


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• CMOS的成像原理及發(fā)展

  數(shù)碼相機的影像傳感器對成像效果起著至關(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觀目前市場的結(jié)構(gòu)可見，消費級DC中清一色的采用CCD，而在**級DSLR中幾乎過半采用的是CMOS，這當然也有市場占有率過半的佳能公司的功勞。我們仔細觀察時下各大相機廠商的動態(tài)，就可發(fā)覺佳能和柯達一直都在CMOS技術(shù)方面下苦功，適馬較是獲得了X3技術(shù)的庇護，就連尼康也在今年聯(lián)合索尼開發(fā)出了千萬像素級別的CMO

• 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 較接近于人眼對視覺的工作方式。只不過，人眼的視網(wǎng)膜是由負責光強度感應的桿細胞和色彩感應的錐細胞，分工合作組成視覺感應。 CCD經(jīng)過長達35年的發(fā)展，大致的形狀和運作方式都已經(jīng)定型。CCD 的組成主要是由一個類似馬賽克的網(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