數(shù)碼相機(jī)的CMOS傳感器知識介紹

標(biāo)簽：數(shù)碼相機(jī)  CMOS

數(shù)碼相機(jī)的另一個靈魂CMOS傳感器

隨著2005年Canon(佳能)公司發(fā)布其型號為EOS D30的專業(yè)級數(shù)碼相機(jī)后，人們對CMOS影像傳感器的注意力猛然巨增。這是因?yàn)?，CMOS影像傳感器過去有著信噪比小、分辨率低的缺點(diǎn)，專業(yè)人士一直認(rèn)為它無法和CCD技術(shù)抗衡。所以當(dāng)佳能推出以CMOS為感光元件的EOS D30數(shù)碼相機(jī)時，許多業(yè)內(nèi)人士都大吃一驚，對采用這種廉價的材料來做感光元件感到不可思議，認(rèn)為CMOS的成像質(zhì)量無法滿足有較高要求的專業(yè)用戶的需要。那么用CMOS做的感光元件在成像質(zhì)量上真的一無是處嗎?還是讓我們先來了解一下什么是CMOS吧!

技術(shù)篇

CMOS即互補(bǔ)性金屬氧化物半導(dǎo)體。其在微處理器、閃存和特定用途集成電路(ASIC)的半導(dǎo)體技術(shù)上占有絕對重要的地位。CMOS和CCD都是可用來感受光線變化的半導(dǎo)體。CMOS主要是利用“硅”和“鍺”這兩種元素所做成的半導(dǎo)體，通過CMOS上帶負(fù)電和帶正電的晶體管來實(shí)現(xiàn)基本的功能。這兩個互補(bǔ)效應(yīng)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 電路幾乎沒有靜態(tài)電量消耗，只有在電路接通時才有電量的消耗。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(shù)碼相機(jī)是“電老虎”的不良印象。

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

此外，CMOS與CCD的圖像數(shù)據(jù)掃描方法有很大的差別。舉個例子，如果分辨率為300萬像素，那么CCD傳感器可連續(xù)掃描300萬個電荷。掃描的方法非常簡單，就好像把水桶從一個人傳給另一個人，直到最后一個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數(shù)據(jù)之后才能將信號放大。CMOS傳感器的每個像素都有一個將電荷轉(zhuǎn)化為電子信號的放大器，因此，CMOS傳感器可以在每個像素基礎(chǔ)上進(jìn)行信號放大。采用這種方法可節(jié)省任何無效的傳輸操作，所以只需少量能量消耗就可以進(jìn)行快速數(shù)據(jù)掃描，同時噪音也有所降低。這就是佳能的像素內(nèi)電荷完全轉(zhuǎn)送技術(shù)(如圖2)。

應(yīng)用篇

1、專業(yè)級數(shù)碼相機(jī)

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

我們知道在佳能EOS系列AF相機(jī)上，CMOS一直在測光對焦系統(tǒng)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(yàn)。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有專門的回路控制暗電流 ，在長于1秒的曝光時降噪系統(tǒng)會自動工作，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(xiàn)CMOS的成像效果并不比傳統(tǒng)CCD差。

由此，我們似乎已看到CMOS在未來的數(shù)碼相機(jī)發(fā)展上將占有重要的一席之地，也會有越來越多的專業(yè)數(shù)碼相機(jī)考慮采用CMOS感光元件。

2、普通級數(shù)碼相機(jī)

目前CMOS傳感器除了在Canon EOS D30上使用外，基本都是應(yīng)用在普通民用型數(shù)碼相機(jī)上，如Kodak(柯達(dá))公司的MC3(見圖4)采用的就是CMOS感光芯片，其最大分辨率為640×480像素;同時它還可以作為一臺網(wǎng)絡(luò)攝像頭來使用;再有，它更可以作為一部MP3隨身聽;它的容量介質(zhì)為CF卡，這可以使用戶根據(jù)不同的需要來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，而且價格也十分接近普通的家庭用戶。所以我們有理由相信，采用CMOS感光器的家用數(shù)碼相機(jī)會逐漸增多，它使數(shù)碼相機(jī)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)要求不是很嚴(yán)格的攝像頭產(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。這也是市場上很多采用USB接口的產(chǎn)品無需外接電源且價格便宜的原因。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高一些，而大多數(shù)數(shù)字?jǐn)z像頭都采用了CCD傳感器。從技術(shù)上講，CMOS還無法達(dá)到CCD那樣高的分辨率，但對640×480分辨率的攝像頭來說，CMOS已足以應(yīng)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、動態(tài)范圍等方面再做進(jìn)一步的努力，相信CMOS便是未來數(shù)碼相機(jī)的另一個發(fā)展方向。據(jù)悉1999年時CMOS的銷售額首次突破10億美元，而且到2004年每年將以75%的速度增長。

此外CMOS傳感器提高動態(tài)范圍的消息也不斷傳來。也許在不久的將來，使用在大部分中低檔相機(jī)上的圖像傳感器將全部從CCD轉(zhuǎn)換成CMOS。而日本開發(fā)CMOS圖像傳感器的LSI廠商大都認(rèn)為“CMOS圖像傳感器的市場將會急劇擴(kuò)大，但是至少在目前，在實(shí)際使用的設(shè)備上，CCD圖像傳感器同CMOS圖像傳感器分庭抗禮的時代還會延續(xù)下去”。