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揭开DC视网膜——CCD、CMOS全面对比揭秘

网络运维2005-10-04 itlogger阅读(837) 评论(1)

时下通行的数码相机传感器主要就是CCD和CMOS两大类,这层数码相机的视网膜的性能在某种意义上基本上就决定了数码相机的性能。新手上路,不了解一点这方面的知识,难免就要交一些冤枉的“学费”了。

CCD(Chagre Couled Device),它的中文名字叫电荷耦合器,是一种特殊的半导体材料; CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor) ,中文名称叫互补性金属氧化物半导体。有了它们,你手中的宝贝DC才能“看见”东西,它们就相当于传统相机中的底片。

传统底片上有感光的颗粒,传感器上也有。不过,这些感光颗粒不是银盐或染料,而是能感光的电子元件。有了这些元件,光信号才能转成数字信号,从而形成漂亮的“PP”。CCD和CMOS的区别就在于各自使用的电子元件不同,信号转换的原理不同。

“戏法人人会变,各有巧妙不同。”由于当初的设计理念,在图片质量方面,CCD还是很值得人们信任的。但是,好东西都难做啊,成本自然也不低,这也是好的DC价格都烫手的主要原因。 和CCD相比,CMOS就要年轻得多了,而且,它自成一派,低电耗、低价格就成了它的抢眼优势。只是,到底它还年轻了一点,除了少数DC(如佳能EOS 10D、EOS D60)有幸用上了高档的CMOS之外,中低档DC的CMOS的成像质量就要比同级别的CCD略逊一筹了。

有竞争,最开心的还是“玩”DC的芸芸众生啊。现在,许多低档入门型的数码相机使用廉价的低档CMOS芯片,成像质量略差。普及型、高级型及专业型数码相机使用不同档次的CCD。个别专业型或准专业型数码相机使用高级的CMOS芯片。代表成像技术未来发展的“X3芯片”(用在适马SD9身上),实际也是一种CMOS芯片。

作为竞争对手,CCD和CMOS都有强势和弱势。所以它们并不会象一些人所说的,某种传感器终将代替另一种传感器,而是由它们共同缔造数码图片处理的未来。

浅析CCD与CMOS影像感应器的技术原理
介绍

CCD影像感应器目前已大部份被使用在数码相机上,而近年来CMOS感应器也逐渐开始出现在数码相机的市场当中,CMOS的诞生具备了许多CCD所没有的一些优势,例如:省电、高集成度、成本更低等等。因此就未来影像感应技术的发展来看,数码相机的影像感应器市场将会是CCD与CMOS的兵家必争之地,未来低于4000元的数码相机的影像感应器相信将会由CMOS胜出,而高于这一价格的数码相机市场将会出现由CCD与CMOS共同领导的新局面。

从工作原理上讲,这两种影像感应器都是将光讯号转变成电信号而进行輸出,而这一转换也是在每一个像素中所完成。所以要了解影像感应器的原理之前,我们必须先要了解像素的定义和原理。影像感应器制造商对像素的定义是:在影像感应器上将光讯号转变成电信号的基本工作单位。比如,一台数码相机标称使用一枚1280 x 960的影像感应器,那么它就会有1,228,800个像素,而这是完全不同于传统电视与电脑显示器制造商所使用的像素定义的。

像素的原理

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电子显微镜下的CCD表面

像素是影像感应器的基本单位,以CMOS感应器的像素为例,它包含了一个光电二极管,用以产生与入射光成比例的电荷,同时它也包含了其他一些电子元件,以提供缓存转换和复位功能。当每个像素上的电容所积累的电荷达到的一定数量并被传送给信号放大器再通过数模转换之后,所拍摄影像的原始信号才得以真正成形,而具有全部这些功能的器件才能称为是一个真正的影像感应器。
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CMOS产品图片

信噪比

影像感应器的信噪比可以用分贝(噪声单位)表示,当信号到达一定强度时,信噪比并不会等比例增加,但是,如果要让低伏值*的讯号可以被检测出来,那么信噪比就变得非常重要。

信噪比的基本定义为:在有效输出范围内,真值信号强度与噪声强度的比值。当真值信号被噪声所埋没后,后方将无法有效地从前方输出中提取信息。

*在常规的信号检测中,电压被做为可参考的主要依据,同样对于影像感应器来说,每个像素输出的电压高低便作为后方信号处理的实际依据。

色彩灵敏度失衡

彩色影像感应器对不同波长的入射光有不同的灵敏度,而这将会造成拍摄影像时的的色彩失衡。当然,色彩失衡可以用后续的数字化处理得到补偿,但这也有可能放大在经过模/数转换后的噪声。现在的技术可以解决色彩敏感度失衡的问题,然后再将讯号送到模/数转换器进行数字量化,最后再运用色差增益或放大技术进行处理。

暗电流

暗电流是在没有入射光时光电二极管所释放的电流量,理想的影像感应器其暗电流应该是零,但是,实际状况是每个像素中的光电二极管同时又充当了电容,当电容器慢慢地释放电荷时,就算没有入射光,暗电流的电压也会与低亮度入射光的输出电压相当。因此,在这些时候我们还是能从显示器上看到部分“影像”,大部分情况下这都是因为从暗电流中所累积的电荷释放造成的。所以,暗电流是影响画质的噪声之一,CCD与CMOS感应器的暗电流范围为0.075-2.0纳安/平方厘米左右。实际上因为CCD与CMOS在图像采集方面的本质区别,在暗电流的形成上差别还是比较大的。但是由于双方在后台处理上的不同,暗电流的影响已经消除了大半,因此在最终得到的实际影像上的差别还不是非常明显的。

像素的大小

影像感应器能否捕捉到低亮度的影像将取决于每个像素的采光区域的大小,较大的像素将使影像感应器捕捉到更多的光子,如此便能提高像素的动态范围。但是,更大的像素也就需要较多的硅芯片,这也在无形当中加高了生产成本,因此决定最佳化的影像感应器组件大小将由设定采光区域的大小、低亮度的敏感性,以及所期望获得的实际影像质量来共同决定。
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http://www.dpnet.com.cn/school/images/syjc20030110_2-2.gif佳能EOS D60结构示意图及CMOS感应器结构图
Crystal 通光晶片
IR absorption glass 红外截止玻璃
CMOS sensor CMOS影像感应器
Low-pass filter 低通滤波器
Dichroic mirror 双色性反射镜

CMOS影像感应器技术

CMOS影像感应器大约是在80年代初发明出来的,只是当时CMOS设计制作技术不高,以致于感应器的噪声大,想要商品化并不容易。时至今日,CMOS感应器的应用范围已经非常广泛,包括数码相机、电脑摄像头、可视电话、第三代手机、智能型安全系统、汽车倒车雷达、玩具,以及工业、医疗等多种用途。由于使用范围广泛,这也非常有利于CMOS产品的普及。CMOS不但体积小,耗电量也不到CCD的1/10,售价也比CCD便宜近1/3,画质已接近低端分辨率的CCD,国内相关生产企业早已开始使用CMOS来替代传统的CCD感应器。
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CMOS影像感应器目前主要用以数码相机、摄像头等产品,在130万像素以下的CMOS品质已相当接近CCD感应器,而且体积比CCD更小。尤其是电脑摄像头在动态影像的撷取方面,对影像品质要求不比静态的数码相机高,48万像素的画质就可以被用户所接受,目前生产企业采用CMOS的比例已开始大大增加。

虽然CMOS影像感应器真正的快速发展只有2、3年时间,虽然在品质上仍难与CCD媲美,但是相信在不久的将来CMOS终会取代CCD成为主流,而这只不过是时间的问题。CMOS要想成为市场主流必须克服的最大的问题就是成像品质。就目前的效果而言,较高像素的CMOS感应器已经面临到感光度、信噪比不足等多项问题 ,影像品质无法与同级CCD感应器相比。以目前的条件来看,CMOS感应器要普遍应用在340万像素以上的数码相机市场,时机尚未成熟。但是,影像感应器市场应用范围很广,涵盖消费、商业 、工业等多种领域,根据市场供求量的计算,在未来三年的发展中,CMOS感应器每年的累计增长率都将超过25%。

CCD详细介绍

决定数码相机拍摄的画面质量高低的,从根本上来说是CCD。那么,只看CCD的性能,是否就能够了解相机的性能呢?回答是:”从某种程度上来说,是的”。

由CCD的性能决定的图象性能的要素有很多,其中,能够为使用者得到相关信息的,包括以下几项:CCD尺寸、像素数量、单位像素尺寸、传输方式、读出方式、CCD滤镜颜色。 像素尺寸虽然在厂商的性能表上没有直接列出来,厂商在宣传的时候也是着重说像素数量而对像素尺寸避而不谈。但是我们还是可以从其他的性能数据中推算出来,有的时候还可以从主要的CCD制造商的主页上查找到。现在,世界上的CCD的品牌和种类并不多。大的厂商主要是KODAK、SONY和PHILIP

但是,如果认为在这些数据中,最重要的是像素数的话,那就错了。如果把CCD比喻成是PIZZA的话,那么PIZZA的尺寸就是CCD的尺寸。而将其切开的块数就是像素数。而决定CCD性能的最基本的要素就是像素的尺寸,也就是说,是PIZZA上切下的小块的尺寸。例如,1/1.8英寸(对角线长8.98mm)420万像素,单个像素尺寸为3.125微米的CCD,与NIKON D1的28.37mm对角线274万像素,单个像素尺寸为11.8微米的CCD相比较,像素数量的差异是很明显的。事实上,后者在细节上的表现能力也是众所称道的。

那么,CCD像素以外的性能又是怎样的呢?

首先是数据的传输方式。所谓传输方式,就是从CCD的各个像素读出数据的方式,为了便于理解,可以把CCD看成是在一个很小的区域内排列的很紧密的很多水桶的集合。这些小水桶就是CCD的感光部件,称为感光二极管。

http://www.dpnet.com.cn/school/images/zjsd0928a.jpghttp://www.dpnet.com.cn/school/images/zjsd0928b.jpghttp://www.dpnet.com.cn/school/images/zjsd0928c.jpg说到传输方式的种类,有象水桶接力一样的祯传输(Frame Transfer)方式和在水桶边设置水道一样的插写(Interline)方式两种。在面积相同的情况下,后者由于需要为”水道”留下位置,所以”水桶”的尺寸相对就比较小。也就是说,从像素大小的角度来说,前者比较有利,但是从数据的传输速度来说,后者的传输速度比较快。

下一个要素就是读出方式。这其实是关于插写方式的演化的内容。插写方式原本是在摄象机用的CCD上使用的。摄象机用的CCD并不是把CCD上所有的像素的数据一次全部读出来,而是分奇数行和偶数行两次读出的。也就是说,是基于扫描线的读出方式。在这种情况下,”水道”的宽度只要能够满足”水桶”容量的一半就可以了。也就是说,相对来说,”水桶”的尺寸可以更大一点。

这种摄象机用的数据读出方式称为Inter race scan方式,而从摄象机用的CCD进化而来的数码相机专用的CCD,则是能够将所有像素的数据一次性全部传输出来,这称为Progressive scan方式。虽然从像素尺寸的角度来看,Inter race scan方式比较有利,但是如果采用这种方式,在摄影结束以后到数据传输完为止的时间内必须把CCD遮着不让光线照射到CCD上,所以必须并用机械快门。而且,考虑到CCD和快门的连动,快门的速度不可能很快。

另一方面,Progressive scan方式也有其局限性。虽然也要等到”水道”把”水桶”全部排空以后才能开始进行下一次的拍摄,但是因为不是一定需要用机械快门对CCD遮光,只要依靠CCD的电子开关就能够设定快门速度,所以能够使用高速快门。但是,如果流入”水道”中的水流过强的话,也就是说,如果如果拍摄的是很强的光源的话,有可能会发生溢出现象。因此,在采用Progressive scan方式的相机中,也有一些是同时使用机械快门,限制快门速度的上限。

http://www.dpnet.com.cn/school/images/zjsd0928d.jpg最后的要素是滤镜的颜色。CCD原本是一种只能感受黑白颜色的传感器,为了能够增加颜色信息,所以在CCD的各个像素前面添加了色彩滤镜,只让特定颜色的光线通过,从而获得了颜色信息。这种滤镜有两种,一种是色彩还原能力较好的原色滤镜,一种是解析度较高的补色系滤镜。每一种滤镜都是4个一组,覆盖在每一个像素上。每一组原色系的滤镜包括1个红(R)、2个绿(G)和1个蓝(B),而补色系的滤镜则是包括黄(R+B)、青(G+B)、洋红(B+R)、绿(G)四种各一个。从解像力的角度来说,由于人的眼睛对于绿色最敏感,所以自然是补色系的比较有利。然而,由于从各个像素获得的色彩信息中都有绿色的成分,所以不可能获得很纯粹、很准确的色彩信息,因此,色彩的还原能力方面肯定不如原色系。
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关于滤镜,还有一点必须要说的就是感度。感度的高低,不仅受到受光的CCD面积的大小的影响,还受到透过CCD的光量的很大影响。根据日本方面的测试数据,补色系能够透过的光量是原色系的1.5倍,所以在感度上也是补色系比较优秀。

富士第四代超级CCD的奥秘

日前,富士公司发布了第四代超级CCD(这大概是2003年的事了),据称性能进步可以掀起CCD技术的一项革命。为此,迪派记者对富士胶片中国投资有限公司进行了独家专访,该公司市场部部长王正先生携技术主管陆铮刚先生,回答了记者提出的问题。
记:自第一代超级CCD问世以来,业界对超级CCD众说纷纭,那么超级CCD超级在哪里?有什么技术优势呢?
富:与传统CCD相比,在CCD面积与感光单元数目均相同时,第一代的超级CCD分辨率提高60%,动态范围提高130%,感光度提高130%,色彩再现能力提高40%,而能量消耗却下降了40%,所以称为超级CCD。

记:在物理的感光单元密度没有增加的情况下,超级CCD是如何提高分辨率的呢?

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富:由于超级CCD采用了独特的感光单元排列方式和独特的数据计算方式,与同面积、同数量感光单元的传统CCD相比,超级CCD可以输出像素数多一倍的数码图像,实测数据也的确表明,300万像素的超级CCD的真实分辨率不亚于400万像素的传统CCD。

记:那么就是进行了插值运算了?
富:可以这么说。但是超级CCD的插值,和传统CCD以及图像处理软件的插值完全不同。效果要好得多,能够真正提高分辨率。

记:都是插值,为什么有所不同呢?
富:这要从人的视觉原理说起。科学家对人类视觉形成的生理过程的研究结果表明,人在观察一幅图像时,对图像水平与垂直方向的信号变化非常敏感,而对斜向的变化则比较迟钝,超级CCD正是巧妙地利用了这一原理。
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超级CCD的感光单元采取蜂窝状排布,使得像素与像素之间在水平与垂直两个方向的间距缩短,可以提供更多的有用视觉信号。传统CCD像素与像素之间在斜线方向的间距更很短,而在真正对提高分辨率起作用的水平与垂直方向间距却很大,无法提供足够密度的信号。

另一方面。由于超级CCD采用了独特的结构设计,缩小了电荷传输路径所占的面积,感光单元面积更大,可以撷取更多的光信号。

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超级CCD在进行插值时,由于插值获得的中间像素由紧邻的优质真实像素计算而出,而且插在水平与垂直轴线上,所以可以有效提高分辨率。
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传统CCD如果进行插值,只能根据距离较远的四周像素估测计算,而且插值产生的中间像素位于斜线方向,而人类视觉对此并不敏感,所以,无补于分辨率的提高。
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记:谢谢您的解释,那么动态范围的提高是否是感光单元面积的增大所带来的好处呢?
富:正是这样,更大的感光单元捕捉到更多的光子,不但动态范围可以大大提高,也提高了色彩还原能力。电荷传输路径的优化还带来另外的一些好处,例如能耗减少,速度提高,所以使用超级CCD的数码相机可以实现比较高的感光度,电池也比较耐用。

记:哦,许多采用超级CCD的富士数码相机都有很好的连拍和录像能力是否得益于此呢?
富:正是这样!

记:超级CCD历经了三代的发展,每一代都有什么进步呢?
富:第二代超级CCD在第一代的基础上进一步提高了分辨率;第三代超级CCD又在第二代的基础上大大提高了感光度,生产出感光度可高达ISO1600的新一代数码相机。

记:使用每一代超级CCD的代表机型各是什么?
富:最早使用超级CCD的是FinePix 4700和FinePix S1 Pro,它们使用的是第一代超级CCD;第二代超级CCD用在诸如FinePix 6800、FinePix 6900等机型上,其中FinePix6900取得了极大的市场成功;而FinePix F401、FinePix S2 Pro等,使用的是第三代超级CCD。

记:既然每一代超级CCD都有所进步,那为什么说日前发布的第四代超级CCD是超级CCD的一次革命呢?
富:以往的两次升级,基本都是集成度和信号处理等方面的升级,在超级CCD的物理结构上没有根本的变化,所以性能提升也有限,只能说是改进,而第四代超级CCD,尤其是Super CCD SR,结构和性能都发生了根本性的变化。

记:具体的变化是什么呢?
富:第四代超级CCD包括两种型号,即超级CCD HR和超级CCD SR。其中 HR是 Hige-Resolution的缩写,指超高分辨率;SR指宽动态范围。
超级CCD HR 在1/1.7” 的芯片上,集成了600万个感光单元,可以输出1200万像素超高分辨率的图像。超级CCD SR则采取了更为独特的结构设计,将成像的动态范围提高了4倍。

记:超级CCD HR通过提高集成度进而提高了分辨率,比较容易理解。我们知道,CCD感光器件的物理特性决定了其动态范围比较窄,那么超级CCD SR是如何拓宽其动态范围的呢?
富:传统化学胶片的感光乳剂中有大小不同的感光颗粒,其感光灵敏度不同,对低光和高光都能很好地回应,因此动态范围比较大。传统CCD的感光单元性能单一,导致动态范围受限。

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超级CCD SR的每个像素点使用了一大一小两个不同性能的感光单元。分别称为主单元和副单元。主单元感光度高,提供主要的成像信号,但高光信号会溢出。副感光单元感光度低,能记录高光信号的变化,作为补充信号提供给数据处理过程,扩大动态范围。
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记:可以详细说明一下技术原理吗?
富:CCD的感光单元在受到光线照射时会蓄积电荷,但当电荷蓄积到一定量以后就达到饱和,感光曲线是这样的:

可以看出,达到饱和以后,光量增加,电荷量不再增多,表现在最终图像上,高光区域一片白色,没有层次。

如果降低感光单元的灵敏度,可以改善高光感光性能,但是低光区域又会因信号太弱而丢失层次,甚至成像信号低于干扰信号而形成噪点。所以使用单一感光单元的CCD对高光低光的感应不能两全,导致动态范围狭窄。

采用双感光单元的超级CCD SR就截然不同了。

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S像素的高灵敏度与R像素的高饱和度相结合,优势互补。成像时既能从低光区域获得足够的图像信号,又可以使高光区域不致溢出,从而使总的动态范围得以拓宽。
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记:那么未采用双感光单元的超级CCD HR就不具备动态范围方面的优势了?
富:是这样,它的动态范围和前一代的超级CCD是一样的。

记:如此说来超级CCD SR是牺牲了本来可以更高的分辨率来获取宽动态范围的了?
富:也不能说是牺牲,只是侧重点不同。如果希望获得更高分辨率的图像,就采用超级CCD
HR;如果经常拍摄光比比较大的拍摄对象,希望数码相机的动态范围更大,就采用超级CCD SR。

记:能否采用同一块CCD进行性能上的转换呢?
富:恐怕不太容易,因为超级CCD SR的两种感光单元性能截然不同。

记:从您的介绍来看,第四代超级CCD在动态范围、分辨率和感光度三个方面都取得了很大的进步,似乎已经将CCD的性能发挥到了极致,富士在下一步还会有怎样的技术发展呢?
富:尽管第四代超级CCD的性能已经非常好,但不得不承认,在一些成像指标上与专业的化学胶片相比可能仍存在一些差距,也就是说,技术发展的空间还是有的。

记:包括贵公司的超级CCD在内,使用马赛克型滤色镜的CCD在一般图像的表现上的确已经达到了一定的技术高度,已经十分接近传统胶片,但是在图像锐度、色纯度、画面干净程度的整洁尤其是在表现复杂的线条方面仍然有很难跨越的障碍。业内许多评论都认为Foven 公司的X3芯片技术是数码成像技术的一次彻底的革命,代表了成像芯片技术的未来,您怎么看?
富:X3芯片技术的确值得关注,但目前还有一定的局限,市场表现也有待进一步观察。

记:那么CMOS技术呢?富士公司怎么看待?
富:CMOS有其固有的一些技术优势,例如工艺简单、节电、造价低廉等等,但目前多是低端产品,高端的CMOS产品还不是十分成熟。

记:这是否可以理解为富士公司会坚持在超级CCD上做文章?
富:可以这么认为,至少我们认为在近期和可以预见的将来,CCD技术仍会是数码成像技术的主流。

记:由市场表现和举措可以看出,富士公司在发展数码成像技术方面可谓不遗余力,但我们知道,富士公司是传统影像市场的世界两大巨头之一,发展数码成像会不会对传统产业造成冲击,最后蚕食了自己原有的市场份额?富士公司有没有这样的顾虑?
富:没有,数码技术是大势所趋,不是一两个公司所能左右的,富士必须跟上这个潮流,而且要争取站立潮头。一说到富士公司人们就会联想到富士胶卷。的确,胶卷是富士公司的重要产业,但事实上,富士公司已经发展为多元经营的大型跨国企业集团,以胶卷为代表的传统影像业务在富士公司的总的经营收入中所占的比例并不是最大。

记:谢谢你们在百忙之中抽出时间接受我们的采访,最后请问,第四代超级会使用在贵公司的高端还是低端数码相机产品中?会是怎样的产品,什么时候能面世?
富:富士公司在高端和低端产品中都会采用新一代的超级CCD,设计中的两种机型包括:
配备超级 CCD HR的相机 配备超级 CCD SR的相机,产品可能会在今年的五、六月份发布。
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CMOS传感器
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CMOS和CCD传感器比较
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http://www.gzeasy.com/Articlephoto/ccd/9.jpgCOMS平面视图
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镜头后面就是CMOS传感器,它呈蓝绿色,来自固定在传感器前的红外线滤镜。图中有色的轮圈连接红外线滤镜和传感器。

CMOS即互补性金属氧化物半导体,其在微处理器、闪存和特定用途集成电路(ASIC)的半导体技术上占有绝对重要的地位。CMOS和CCD一样都可用来感受光线变化的半导体。CMOS主要是利用硅和锗这两种元素所做成的半导体,通过CMOS上带负电和带正电的晶体管来实现基本的功能的。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。

CMOS针对CCD最主要的优势就是非常省电。不像由二极管组成的CCD,CMOS 电路几乎没有静态电量消耗,只有在电路接通时才有电量的消耗。这就使得CMOS的耗电量只有普通CCD的1/3左右,这有助于改善人们心目中数码相机是”电老虎”的不良印象。CMOS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而过热。暗电流抑制得好就问题不大,如果抑制得不好就十分容易出现杂点。

此外,CMOS与CCD的图像数据扫描方法有很大的差别。举个例子,如果分辨率为300万像素,那么CCD传感器可连续扫描300万个电荷,扫描的方法非常简单,就好像把水桶从一个人传给另一个人,并且只有在最后一个数据扫描完成之后才能将信号放大。CMOS传感器的每个像素都有一个将电荷转化为电子信号的放大器。因此,CMOS传感器可以在每个像素基础上进行信号放大,采用这种方法可节省任何无效的传输操作,所以只需少量能量消耗就可以进行快速数据扫描,同时噪音也有所降低。这就是佳能的像素内电荷完全转送技术。

此外,CMOS与CCD的图像数据扫描方法有很大的差别。举个例子,如果分辨率为300万像素,那么CCD传感器可连续扫描300万个电荷,扫描的方法非常简单,就好像把水桶从一个人传给另一个人,并且只有在最后一个数据扫描完成之后才能将信号放大。CMOS传感器的每个像素都有一个将电荷转化为电子信号的放大器。因此,CMOS传感器可以在每个像素基础上进行信号放大,采用这种方法可节省任何无效的传输操作,所以只需少量能量消耗就可以进行快速数据扫描,同时噪音也有所降低。这就是佳能的像素内电荷完全转送技术。
http://www.dpnet.com.cn/school/images/tx53b.jpg
(未完待续)

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One thought on “揭开DC视网膜——CCD、CMOS全面对比揭秘

  1. 好文章,我们也有些不错的文章,是郑州业主们的好去处,绿都人www.lvduren.cn3412

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