數碼相機的CMOS傳感器知識介紹

標簽：數碼相機 CMOS

數碼相機的另一個(gè)靈魂CMOS傳感器

隨著(zhù)2005年Canon(佳能)公司發(fā)布其型號為EOS D30的專(zhuān)業(yè)級數碼相機后，人們對CMOS影像傳感器的注意力猛然巨增。這是因為，CMOS影像傳感器過(guò)去有著(zhù)信噪比小、分辨率低的缺點(diǎn)，專(zhuān)業(yè)人士一直認為它無(wú)法和CCD技術(shù)抗衡。所以當佳能推出以CMOS為感光元件的EOS D30數碼相機時(shí)，許多業(yè)內人士都大吃一驚，對采用這種廉價(jià)的材料來(lái)做感光元件感到不可思議，認為CMOS的成像質(zhì)量無(wú)法滿(mǎn)足有較高要求的專(zhuān)業(yè)用戶(hù)的需要。那么用CMOS做的感光元件在成像質(zhì)量上真的一無(wú)是處嗎?還是讓我們先來(lái)了解一下什么是CMOS吧!

技術(shù)篇

CMOS即互補性金屬氧化物半導體。其在微處理器、閃存和特定用途集成電路(ASIC)的半導體技術(shù)上占有絕對重要的地位。CMOS和CCD都是可用來(lái)感受光線(xiàn)變化的半導體。CMOS主要是利用“硅”和“鍺”這兩種元素所做成的半導體，通過(guò)CMOS上帶負電和帶正電的晶體管來(lái)實(shí)現基本的功能。這兩個(gè)互補效應所產(chǎn)生的電流即可被處理芯片記錄和解讀成影像。

CMOS針對CCD最主要的優(yōu)勢就是非常省電。它不像由二極管組成的CCD，CMOS 電路幾乎沒(méi)有靜態(tài)電量消耗，只有在電路接通時(shí)才有電量的消耗。這就使得CMOS的耗電量只有普通CCD的1/3左右，這有助于改善人們心目中數碼相機是“電老虎”的不良印象。

CMOS主要問(wèn)題是在處理快速變化的影像時(shí)，由于電流變化過(guò)于頻繁而過(guò)熱。暗電流抑制得好問(wèn)題就不大，如果抑制得不好就十分容易出現雜點(diǎn)。

此外，CMOS與CCD的圖像數據掃描方法有很大的差別。舉個(gè)例子，如果分辨率為300萬(wàn)像素，那么CCD傳感器可連續掃描300萬(wàn)個(gè)電荷。掃描的方法非常簡(jiǎn)單，就好像把水桶從一個(gè)人傳給另一個(gè)人，直到最后一個(gè)人才把所有的水都集中到一起。所以，掃描也只有在掃描完最后一個(gè)數據之后才能將信號放大。CMOS傳感器的每個(gè)像素都有一個(gè)將電荷轉化為電子信號的放大器，因此，CMOS傳感器可以在每個(gè)像素基礎上進(jìn)行信號放大。采用這種方法可節省任何無(wú)效的傳輸操作，所以只需少量能量消耗就可以進(jìn)行快速數據掃描，同時(shí)噪音也有所降低。這就是佳能的像素內電荷完全轉送技術(shù)(如圖2)。

應用篇

1、專(zhuān)業(yè)級數碼相機

目前在專(zhuān)業(yè)級數碼單鏡頭反光機身上使用CMOS作為影像傳感器的只有為數不多的幾款產(chǎn)品，如Canon(佳能) EOS D30等，見(jiàn)如圖3。

我們知道在佳能EOS系列AF相機上，CMOS一直在測光對焦系統中使用。佳能在這方面有雄厚的技術(shù)力量和豐富的經(jīng)驗。發(fā)展到今日已經(jīng)比較容易地以較低的成本制造較大尺寸的CMOS感光芯片，并且CMOS可以將影像處理電路集成在芯片上。D30有專(zhuān)門(mén)的回路控制暗電流 ，在長(cháng)于1秒的曝光時(shí)降噪系統會(huì )自動(dòng)工作，可以從很大程度上降低噪點(diǎn)的產(chǎn)生。我們查看了大量由Canon EOS D30所拍攝的照片，發(fā)現CMOS的成像效果并不比傳統CCD差。

由此，我們似乎已看到CMOS在未來(lái)的數碼相機發(fā)展上將占有重要的一席之地，也會(huì )有越來(lái)越多的專(zhuān)業(yè)數碼相機考慮采用CMOS感光元件。

2、普通級數碼相機

目前CMOS傳感器除了在Canon EOS D30上使用外，基本都是應用在普通民用型數碼相機上，如Kodak(柯達)公司的MC3(見(jiàn)圖4)采用的就是CMOS感光芯片，其最大分辨率為640×480像素;同時(shí)它還可以作為一臺網(wǎng)絡(luò )攝像頭來(lái)使用;再有，它更可以作為一部MP3隨身聽(tīng);它的容量介質(zhì)為CF卡，這可以使用戶(hù)根據不同的需要來(lái)自由更換不同容量的CF卡;而且它提供了USB接口與電腦進(jìn)行相連，大大提高了連接速度;最重要的是它不僅功能多樣化，而且價(jià)格也十分接近普通的家庭用戶(hù)。所以我們有理由相信，采用CMOS感光器的家用數碼相機會(huì )逐漸增多，它使數碼相機更快地進(jìn)入家庭成為可能。

3、攝像頭

CMOS也適用于對影像品質(zhì)要求不是很?chē)栏竦臄z像頭產(chǎn)品，它的優(yōu)點(diǎn)是制造成本較CCD更低，功耗也低得多，而且速度快。這也是市場(chǎng)上很多采用USB接口的產(chǎn)品無(wú)需外接電源且價(jià)格便宜的原因。盡管在技術(shù)上有較大的不同，但CCD和CMOS兩者性能差距不是很大，只是CMOS攝像頭對光源的要求會(huì )高一些，而大多數數字攝像頭都采用了CCD傳感器。從技術(shù)上講，CMOS還無(wú)法達到CCD那樣高的分辨率，但對640×480分辨率的攝像頭來(lái)說(shuō)，CMOS已足以應付。

展望篇

CMOS這種能耗低、制造相對容易的感光芯片如果能在影像的銳利度、動(dòng)態(tài)范圍等方面再做進(jìn)一步的努力，相信CMOS便是未來(lái)數碼相機的另一個(gè)發(fā)展方向。據悉1999年時(shí)CMOS的銷(xiāo)售額首次突破10億美元，而且到2004年每年將以75%的速度增長(cháng)。

此外CMOS傳感器提高動(dòng)態(tài)范圍的消息也不斷傳來(lái)。也許在不久的將來(lái)，使用在大部分中低檔相機上的圖像傳感器將全部從CCD轉換成CMOS。而日本開(kāi)發(fā)CMOS圖像傳感器的LSI廠(chǎng)商大都認為“CMOS圖像傳感器的市場(chǎng)將會(huì )急劇擴大，但是至少在目前，在實(shí)際使用的設備上，CCD圖像傳感器同CMOS圖像傳感器分庭抗禮的時(shí)代還會(huì )延續下去”。