CCD与CMOS

CCD和CMOS，数码相机的核心成像元件。数年之前，很多专家就断言，未来CCD将会被CMOS所代替，二者的技术进步和竞争也成为近年来数码相机领域的一大看点。 2010年，CCD和CMOS的技术之争已经进入白热化阶段，由此带动了一系列数码相机核心技术的进展。
目前数码相机的成像元件以CCD 和CMOS两种为主。
CCD（电荷耦合元件，Charge-coupled Device）是一种半导体器件，能够把光学影像转化为数字信号。 CCD上植入的微小光敏物质称作像素（Pixel），CCD上包含的像素数越多，其提供的画面分辨率也就越高。CCD上有许多排列整齐的电容，能感应光线，并将影像转变成电信号，经由外部电路的控制，每个小电容能将其所带的电荷转给它相邻的电容。CCD广泛应用在数字摄影、天文学，尤其是光学遥测技术、光学与频谱望远镜和高速摄影技术，如Lucky imaging。从结构上讲CCD分为三层，分别是“微型镜头”、“分色滤色片”和“感光层”。 为了提高CCD的采光率，就要增加单一像素的受光面积，但是一味提高采光率很容易导致画质下降。而“微型镜头”层相当于在感光层前面加上一副眼镜，使得感光面积不受传感器的开口面积影响，而是通过微型镜片的表面积来控制感光面积。 CCD的第二层是“分色滤色片”，用于分离RGB色彩。CCD最为重要的是第三层“感光片”，这层主要是负责将穿过滤色层的光源信号转换成电子信号，并将信号传送到影像处理芯片，将影像还原。
CMOS（互补性氧化金属半导体，Complementary Metal-Oxide Semiconductor），与CCD类似，在数码相机CMOS中也是可以记录光线变化的半导体。它主要是由硅和锗这两种元素做成的，在CMOS上共存着带N（带正电）级和 P（带负电）级的半导体，受光之后这两个互补效应所产生的电流即可被处理芯片纪录和解读成影像。然而，CMOS的缺点就是容易出现噪点，这主要是因为早期的设计结构使CMOS在处理快速变化的影像时由于电流变化过于频繁而会产生过热的现象。
由两种感光器件的工作原理可以看出，CCD的优势在于弱光成像质量好，但是由于制造工艺复杂，所以导致制造成本居高不下，特别是大型CCD，价格非常高昂。CMOS较CCD最主要的优势就是非常省电，只有普通 CCD的1/3左右。CMOS的主要问题是在处理快速变化的影像时由于电流变化过于频繁会出现过热现象。
我们并不能笼统通过相机采用了CCD还是 CMOS来判断数码相机感光原件成像质量的好坏，还需要注意每个厂商为感光元件加入的特殊技术，这些技术会对成像效果有很大影响。
早期，CCD是无可争议的霸主，绝大部分数码相机都采用CCD成像，只有佳能在自己的高端单反相机型号上采用CMOS元件。不过近年来，CMOS发展势头迅猛，几乎已经在家用单反相机中一统江湖，因此很多分析人士认为，未来CMOS将取代CCD，成为数码相机的首选。进入2010年，CCD和CMOS的竞争已经进入了白热化阶段，CMOS越来越多地被消费类数码相机所采用。何种技术推动了CMOS的发展？还有哪些CCD技术可以抗衡CMOS？未来一段时间，CCD和 CMOS还将如何发展？

CCD和CMOS两种成像元件各有自己的优势。CCD元件的色彩饱和度好，图像较为锐利，质感更加真实，特别是在较低感光度下的表现很好。不过，CCD元件的制造成本高，在高感光度下的表现不太好，而且功耗较大。CMOS的色彩饱和度和质感则略差于CCD，但处理芯片可以弥补这些差距。重要的是，CMOS 具备硬件降噪机制，在高感光度下的表现要好于CCD，此外，它的读取速度也更快。这些特性特别适合性能较高的单反相机，因此目前市场中常见的单反数码相机几乎都采用了CMOS传感器。这些装备了CMOS传感器的数码相机甚至具备了拍摄全高清（Full HD）视频的能力，这是使用CCD的数码相机目前无法做到的。CMOS传感器的成本也比CCD传感器更低廉，特别是当传感器面积增大时，CMOS的生产成本也不会增加太多，这使得CMOS取代CCD的前景被绝大多数专家所看好。
不过，在普通消费类数码相机市场上，CMOS的普及却遇到了相当大的困难——这并非对手CCD出现了革命性的变化，而是由于CMOS的先天不足造成的。CMOS元件在低感光度下的表现比CCD差，特别是在小尺寸的家用消费类相机成像元件上，由于像素面积小，这个缺陷就更为明显。值得一提的是，那些需要在极暗条件下拍摄的专业性场合，比如天文望远镜和电子显微镜等领域，CCD 感光元件的地位依然不可动摇。如果要进一步占领消费类数码相机市场，就必须治愈这一“顽疾”。背照式CMOS（backside illuminated CMOS）传感器的出现，解决了这一问题。目前的态势是：CMOS已经占据了可更换镜头的高端数码相机市场，并借助背照式CMOS杀入消费类数码相机市场。但从CES2010和PMA2010上各厂商推出的新产品来看，CCD传感器仍然占据着大半个江山，二者在消费类相机这一领域的竞争才刚刚进入白热化阶段。

CMOS和CCD技术新进展

用于数码相机的CMOS和CCD传感器在过去两年中都取得了一定进步。以背照式CMOS为代表的新型 CMOS技术的应用使得CMOS传感器得以进一步蚕食CCD的市场。在CCD方面，虽然自2008年富士的Super CCD EXR推出后就没有什么太大的动作，但我们依然期待着更好产品的出现，传说中的Super HAD CCD II或许就是那个答案。
革命性的背照式CMOS传感器

CMOS传感器一般由3个部分组成，它们是微透镜滤色片、光电二极管、放大和模数转换电路。在传统的CMOS传感器中，光线经过微透镜后，透过电路和配线层才能到达光电二极管，有大量的光线被电路反射和散射，因此在弱光下，CMOS的表现普遍不佳，只有用于单反相机的大画幅CMOS传感器才能凭借较大的像素点达到较好的感光效果。背照式CMOS传感器则通过交换光电二极管层和线路层的位置，使入射的光线直接被光电二极管所接收，由此可以使光线的利用率提高40%以上，大大改善了CMOS元件在弱光下的表现。

背照式技术的开发已历时二十多年，在专业仪器和天文摄影等领域发挥了重要的作用，很多专业型CCD就采用了背照式技术。2008年，索尼和Omnivision公司将这一技术移植到CMOS领域之中，并由索尼率先推出了一系列采用背照式CMOS感光元件的数码摄像机和数码相机产品，由此引发了背照式CMOS的革命。此后，东芝、三星和Omnivision都宣布量产数码相机用的背照式CMOS元件，越来越多的厂商也推出了使用背照式CMOS元件的新产品。目前，采用背照式CCD技术的厂商包括索尼、三星、理光、尼康、松下、卡西欧等等，就连以Super CCD系列技术著称的富士在FinePix HS10/HS11中都采用了背照式CMOS元件。
背照式CMOS的流行并非偶然。背照式CMOS不仅仅使CMOS元件在低感光度下的性能受益，还提高了在白天拍摄时望远端的快门速度，也利于更好地捕捉高速运动物体。比如某些厂商的旗舰类消费数码相机甚至拥有30倍左右的光学变焦率，这要求成像元件具有更高的性能，特别是远端高速快门时足够的感光能力，而这一要求正是背照式CMOS的长处，尼康的CoolPix P100（26倍变焦）和富士FinePix HS11（30倍变焦）都采用了背照式CMOS元件。此外，高速连拍和高清摄像这样以往仅在单反相机中出现的功能也可以被采用背照式CMOS单元的消费类数码相机轻松实现。不过需要指出的是，CCD在特定环境下，仍有一定优势，而且目前背照式CMOS的成本还没有降低到理想的水平，这也是目前各厂商推出的新产品依然有很多采用CCD的原因。
相信很多读者朋友都会提问，背照式CMOS元件有可能进一步在数码单反中使用吗？从目前，单反相机还没有使用背照式CMOS的必要。因为单反相机所用的CMOS元件的单个像素尺寸更大，线路层对光线的阻挡几乎可以忽略不计，目前的CMOS元件已经完全能够满足需要。仅仅在小尺寸、高像素密度的成像元件中，背照式CMOS才大有用武之地。不过未来随着需求的进一步增加和背照式CMOS技术的进步，也不排除背照式 CMOS进入可更换镜头相机市场的可能。比如2009年末就有传言，松下准备在自己Micro 4/3系统相机中引入背照式CMOS，但截至目前，这类产品尚未上市。
CMOS：百花齐放才是春
在ISSCC 2010会议上，索尼摄像元件部门的业务执行董事SVP、半导体业务副总部长铃木智行发表了题为“Challenges of Image-Sensor Development”的演讲。他认为，CCD时代，数码相机传感器的开发目标是超越胶片，而到了CMOS时代，数码相机传感器的开发目标则是超越人眼极限。目前，像素数的竞争已经告一段落，CMOS传感器的进一步发展应该向捕捉高速运动的物体、能够同时拍摄明亮和黑暗的物体、在人眼也无法看清的黑夜也能够清晰地拍摄等方向努力。在演讲中，铃木指出了CMOS传感器的两项关键技术，其一就是前文中已经提及的背照式CMOS技术，另一个则是列并行（Column Parallel）ADC架构。这是一种在各个像素列中配备A-D转换器的技术，可使CMOS反应速度更快，而且还可以降低噪声，这一技术最早搭载于 SONY α700 单反相机所用的CMOS单元上。Exmor APS HD CMOS是索尼最新推出的CMOS元件，不过我们仅仅是在PMA2010上见到这个名称，具体的技术和特性还不得而知。它将被用于索尼最新推出的APS- C画幅的可更换镜头相机上。从它的名称来看，Exmor APS HD CMOS并未使用背照式技术，但肯定支持Full HD视频高清拍摄。而这种CMOS传感器将会沿用列并行ADC架构，可能还会做出改良。
与CCD相比，CMOS感光元件的生产门槛更低，因此很多厂商都涉足这一领域。索尼近年来在CMOS传感器方面的不俗表现有目共睹，Omnivision、Aptina、东芝、三星等厂商也在这一领域有了很大突破。比如美国Aptina公司开发的1400万像素的感光元件MT9F001，这款芯片可以用60帧/秒的速度拍摄1080P视频，还采用A-Pix技术和4通道HiSPi高速串行像素接口以实现静止图片以及视频的性能。这块芯片拥有1.4微米的像素尺寸，将用于低端数码相机和手机。传统的CMOS传感器大厂佳能也在默默地改进自己的技术，比如它在EOS 7D中使用的8通道、1800万像素、APS-C画幅的CMOS传感器通过缩小无间隙透镜和光电二极管的距离来提高二极管的受光面积，采用了最新设计的光电二极管来提高光电转换效率。通过这些设计，佳能成功地在CMOS像素间距缩小到4.3微米的同时，还保持了不错的性能。另一个值得期待的厂商是适马，众所周知，它是唯一一家采用独特的三层结构（Foveon X3 ）CMOS技术的数码相机厂商，在收购Foveon之后，它也在进一步开发基于Foveon X3技术的CMOS传感器，但目前为止还没有更多的消息。
富士公司也在努力开发与众不同的CMOS产品，它采用的是将硅光电二极管替换为有机光电转换膜的技术。有机光电转换膜更薄，转换的效率也高于硅光电二极管，还不会产生混色现象。2009年9月，富士宣布，这种CMOS元件已经能够拍摄彩色照片。未来富士还设想采用叠合方式分别能吸收蓝色、绿色和红色光的有机光电转换膜制造CMOS元件，这一设想也与胶片的结构和oveon X3技术类似。不过在目前，电极的形成和膜与电极之间的连接仍存在技术难题。富士表示，当纳米压印技术解决之后，这种CMOS将有望实用化。
Foveon X3 CMOS技术

与传统的 CMOS不同，Foveon X3 CMOS并不使用滤色片，而是根据RGB三色光入射硅片后可穿入的深度不同来感光的：蓝色光在离硅片表面0.2微米开始被吸收，绿色光在离硅片表面0.6 微米被吸收，红色光在离硅片表面2微米被吸收。只要在相应的位置设置蓝、绿、红三层感光层，就可以得到图像。这一原理更接近彩色胶片，理论上，对光的利用率更高，所得的图像也更真实。Foveon X3 CMOS在2002年发布，适马使用这一技术推出了多款数码相机产品。2008年，适马收购了Foveon。2010年，适马推出的3款新机型依然使用了 Foveon X3 CMOS技术。如果能解决红色高光溢出、高感光度表现和不适合拍摄高清视频等问题，这项技术将有很强的竞争力。
迷雾中的产品：Super HAD CCD II

Super HAD CCD II最早见于2009年9月sony.net上公布的一份PDF文档，是Super HAD CCD 的改进型产品。在Super HAD CCD的基础上，Super HAD CCD II进一步优化了结构：首先是扩大了单个像素光电二极管的面积，使传感器的感应面积更大，其次是优化了微透镜的高度和外形，使入射光线能够更多地投射到发光二极管上（类似佳能的技术）。此外，Super HAD CCD II的滤光片也进行了改进。Super HAD CCD II支持4通道高速读取、14bit A/D转换，在全像素下可以3.4张/秒连拍，支持ISO 50~3200。据称采用Super HAD CCD II技术的将是拥有3480万像素的索尼α系列全画幅单反相机，不过索尼在几乎是同期推出的全画幅单反α900中使用的却是自己开发的2460的万像素 CMOS传感器。未来这一技术将如何应用，我们将拭目以待。

摘自 《CCD与CMOS之争：数码相机核心技术新进展》http://www.chip.cn/index.php?option=com_content&view=article&id=2752&catid=6&Itemid=14