CCD與CMOS影像感應(yīng)器的技術(shù)原理
CCD影像感應(yīng)器目前已大部份被使用在數(shù)碼相機(jī)上，而近年來(lái)CMOS感應(yīng)器也逐漸開(kāi)始出現(xiàn)在數(shù)碼相機(jī)的市場(chǎng)當(dāng)中，CMOS的誕生具備了許多CCD所沒(méi)有的一些優(yōu)勢(shì)，例如：省電、高集成度、成本更低等等。因此就未來(lái)影像感應(yīng)技術(shù)的發(fā)展來(lái)看，數(shù)碼相機(jī)的影像感應(yīng)器市場(chǎng)將會(huì)是CCD與CMOS的兵家必爭(zhēng)之地，未來(lái)低于4000元的數(shù)碼相機(jī)的影像感應(yīng)器相信將會(huì)由CMOS勝出，而高于這一價(jià)格的數(shù)碼相機(jī)市場(chǎng)將會(huì)出現(xiàn)由CCD與CMOS共同領(lǐng)導(dǎo)的新局面。
從工作原理上講，這兩種影像感應(yīng)器都是將光訊號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)而進(jìn)行輸出，而這一轉(zhuǎn)換也是在每一個(gè)像素中所完成。所以要了解影像感應(yīng)器的原理之前，我們必須先要了解像素的定義和原理。影像感應(yīng)器制造商對(duì)像素的定義是：在影像感應(yīng)器上將光訊號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)的基本工作單位。比如，一臺(tái)數(shù)碼相機(jī)標(biāo)稱(chēng)使用一枚1280 x 960的影像感應(yīng)器，那么它就會(huì)有1,228,800個(gè)像素，而這是完全不同于傳統(tǒng)電視與電腦顯示器制造商所使用的像素定義的。
像素的原理
像素是影像感應(yīng)器的基本單位，以CMOS感應(yīng)器的像素為例，它包含了一個(gè)光電二極管，用以產(chǎn)生與入射光成比例的電荷，同時(shí)它也包含了其他一些電子元件，以提供緩存轉(zhuǎn)換和復(fù)位功能。當(dāng)每個(gè)像素上的電容所積累的電荷達(dá)到的一定數(shù)量并被傳送給信號(hào)放大器再通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換之后，所拍攝影像的原始信號(hào)才得以真正成形，而具有全部這些功能的器件才能稱(chēng)為是一個(gè)真正的影像感應(yīng)器。
信噪比
影像感應(yīng)器的信噪比可以用分貝（噪聲單位）表示，當(dāng)信號(hào)到達(dá)一定強(qiáng)度時(shí)，信噪比并不會(huì)等比例增加，但是，如果要讓低伏值*的訊號(hào)可以被檢測(cè)出來(lái)，那么信噪比就變得非常重要。
信噪比的基本定義為：在有效輸出范圍內(nèi)，真值信號(hào)強(qiáng)度與噪聲強(qiáng)度的比值。當(dāng)真值信號(hào)被噪聲所埋沒(méi)后，后方將無(wú)法有效地從前方輸出中提取信息。
*在常規(guī)的信號(hào)檢測(cè)中，電壓被做為可參考的主要依據(jù)，同樣對(duì)于影像感應(yīng)器來(lái)說(shuō)，每個(gè)像素輸出的電壓高低便作為后方信號(hào)處理的實(shí)際依據(jù)。
色彩靈敏度失衡
暗電流
暗電流是在沒(méi)有入射光時(shí)光電二極管所釋放的電流量，理想的影像感應(yīng)器其暗電流應(yīng)該是零，但是，實(shí)際狀況是每個(gè)像素中的光電二極管同時(shí)又充當(dāng)了電容，當(dāng)電容器慢慢地釋放電荷時(shí)，就算沒(méi)有入射光，暗電流的電壓也會(huì)與低亮度入射光的輸出電壓相當(dāng)。因此，在這些時(shí)候我們還是能從顯示器上看到部分“影像”，大部分情況下這都是因?yàn)閺陌惦娏髦兴鄯e的電荷釋放造成的。所以，暗電流是影響畫(huà)質(zhì)的噪聲之一，CCD與CMOS感應(yīng)器的暗電流范圍為0.075－2.0納安/平方厘米左右。實(shí)際上因?yàn)镃CD與CMOS在圖像采集方面的本質(zhì)區(qū)別，在暗電流的形成上差別還是比較大的。但是由于雙方在后臺(tái)處理上的不同，暗電流的影響已經(jīng)消除了大半，因此在最終得到的實(shí)際影像上的差別還不是非常明顯的。
像素的大小
影像感應(yīng)器能否捕捉到低亮度的影像將取決于每個(gè)像素的采光區(qū)域的大小，較大的像素將使影像感應(yīng)器捕捉到更多的光子，如此便能提高像素的動(dòng)態(tài)范圍。但是，更大的像素也就需要較多的硅芯片，這也在無(wú)形當(dāng)中加高了生產(chǎn)成本，因此決定最佳化的影像感應(yīng)器組件大小將由設(shè)定采光區(qū)域的大小、低亮度的敏感性，以及所期望獲得的實(shí)際影像質(zhì)量來(lái)共同決定。
佳能EOS D60結(jié)構(gòu)示意圖及CMOS感應(yīng)器結(jié)構(gòu)圖
CMOS影像感應(yīng)器技術(shù)
CMOS影像感應(yīng)器大約是在80年代初發(fā)明出來(lái)的，只是當(dāng)時(shí)CMOS設(shè)計(jì)制作技術(shù)不高，以致于感應(yīng)器的噪聲大，想要商品化并不容易。時(shí)至今日，CMOS感應(yīng)器的應(yīng)用范圍已經(jīng)非常廣泛，包括數(shù)碼相機(jī)、電腦攝像頭、可視電話、第三代手機(jī)、智能型安全系統(tǒng)、汽車(chē)倒車(chē)?yán)走_(dá)、玩具，以及工業(yè)、醫(yī)療等多種用途。由于使用范圍廣泛，這也非常有利于CMOS產(chǎn)品的普及。CMOS不但體積小，耗電量也不到CCD的1/10，售價(jià)也比CCD便宜近1/3，畫(huà)質(zhì)已接近低端分辨率的CCD，國(guó)內(nèi)相關(guān)生產(chǎn)企業(yè)早已開(kāi)始使用CMOS來(lái)替代傳統(tǒng)的CCD感應(yīng)器。
CMOS影像感應(yīng)器目前主要用以數(shù)碼相機(jī)、攝像頭等產(chǎn)品，在130萬(wàn)像素以下的CMOS品質(zhì)已相當(dāng)接近CCD感應(yīng)器，而且體積比CCD更小。尤其是電腦攝像頭在動(dòng)態(tài)影像的擷取方面，對(duì)影像品質(zhì)要求不比靜態(tài)的數(shù)碼相機(jī)高，48萬(wàn)像素的畫(huà)質(zhì)就可以被用戶所接受，目前生產(chǎn)企業(yè)采用CMOS的比例已開(kāi)始大大增加。
雖然CMOS影像感應(yīng)器真正的快速發(fā)展只有2、3年時(shí)間，雖然在品質(zhì)上仍難與CCD媲美，但是相信在不久的將來(lái)CMOS終會(huì)取代CCD成為主流，而這只不過(guò)是時(shí)間的問(wèn)題。CMOS要想成為市場(chǎng)主流必須克服的最大的問(wèn)題就是成像品質(zhì)。就目前的效果而言，較高像素的CMOS感應(yīng)器已經(jīng)面臨到感光度、信噪比不足等多項(xiàng)問(wèn)題 ，影像品質(zhì)無(wú)法與同級(jí)CCD感應(yīng)器相比。以目前的條件來(lái)看，CMOS感應(yīng)器要普遍應(yīng)用在340萬(wàn)像素以上的數(shù)碼相機(jī)市場(chǎng)，時(shí)機(jī)尚未成熟。但是，影像感應(yīng)器市場(chǎng)應(yīng)用范圍很廣，涵蓋消費(fèi)、商業(yè) 、工業(yè)等多種領(lǐng)域，根據(jù)市場(chǎng)供求量的計(jì)算，在未來(lái)三年的發(fā)展中，CMOS感應(yīng)器每年的累計(jì)增長(zhǎng)率都將超過(guò)25%。
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