CCD和CMOS区别

　相机传感器技术简介

　　(2019-10-14)河南郑州科技市场IT产品配送网-郑州电脑手机测评中心

　　摄友们喜欢相机指标，并乐在其中，因为除了技术，机器的性能确实也很重要。否则为什么全幅机型一直比APS-C的机型至少贵数千元。影响照片画质的元素很多，作为成像最重要的元件——传感器(CCD/CMOS)作用尤为明显，也是非常考验厂商技术实力的技术。很多消费者在挑选相机的时候，总是把像素值看得很重要，甚至到了非千万像素不买的地步，这是对数码相机成像原理的不熟悉所造成的。其实像素值主要就体现在传感器上，而传感器的技术也在不停进步!搞懂传感器技术，就能帮助你选择更适合自己的相机。

　　传感器和胶片的区别

　　数码相机和传统相机的区别在于，传统相机是用胶片来保存影像，而数码相机是把影像保存在存储卡，但实际上，和胶片对应的成像元件是传感器。

　　传统相机让影像通过镜头投射到胶片的感光材料——银盐上，并产生化学变化形成可冲洗的底片。而数码相机成像的整个过程属于光电转换。数码相机通过使用传感器，将光线转换成电子讯号，经图像处理引擎及相关电路处理，生成高质量的数码影像，保存到存储介质中。

　　从原理上来说，数码相机拍摄图像的像素数就是传感器上光敏单元的数量。在相同尺寸的感光元件中，像素越小，光敏单元面积就越大，容纳电荷的能力就越强，动态范围就加大。换句话说，宽容度就大，从而能感受到更细微的光线变化，画面层次更丰富。相反，像素如果增大，光敏单元面积就要缩水，储存电荷的能力就会下降，很容易出现电荷溢出等现象，导致画面出现噪点，这就需要更新的技术支持来抵消这些缺点。

　　很多消费者抱怨买了千万高像素像素机型之后，拍摄效果反而没有以前七八百万像素相机成像效果好。原因就在于很多厂商为了追求眼球效应，一味提升像素指标，寻求数字上的竞争力，但又不增大感光元件面积，在噪点和色彩优化上也没有作为。

　　CCD和CMOS的对峙

　　目前使用比较广泛的传感器有两大类——CCD和CMOS。它们在制造上的主要区别是，CCD集成在半导体单晶材料上，而CMOS是集成在被称作金属氧化物的半导体材料上。它们的核心都是感光二极管，感光二极管在接受光线照射之后能够产生输出电流，而电流的强度与光照的强度对应。在周边元件的组成上，CCD与CMOS不相同，前者除了感光二极管之外，包括一个用于控制相邻电荷的存储单元，而CMOS感光元件的构成就比较复杂，除于感光二极管之外，还包括放大器与模数转换电路。

　　目前CCD感光元件在技术上比较成熟，成像质量好，是现阶段应用最广泛的感光元件，不过，由于采用以行为单位的电流信号，只要有一个感光元件无法正常工作，一整行的图像信号将因此丢失，功耗相对较高。CMOS感光元件以点为单位的电荷信号，即使损坏也不会影响到其它单元，成本和功耗都可以控制在很低的范围内，不过由于感光单元中大部分被放大器和模数转换单元占据，所以传统CMOS感光元件开口率(有效感光区域与整个感光元件的面积比值)低，光利用效率差，噪点控制是难题。

　　为了取得突破，厂商最近几年在感光元件的研发以及生产工艺改良上的投入几乎都是大手笔。CCD感光元件虽然技术成熟，但生产线的利用率不高，每提升百万像素都需要对生产线进行相改造，而且到了一定限度之后，由于受到制造工艺的限制，短时间内很难再有所突破。

　　相比之下，CMOS采用的是标准工艺制程，可以利用现有的半导体制造流水线，无需追加投资设备就可以投产，并且芯片本身的品质也随半导体技术的进步而提高。像素越高的CMOS感光元件，制造工艺的优势就越明显，利用0.18微米的制造工艺就可以轻松得到1600万像素的CMOS感光元件，而根据摩尔定律，集成电路里晶体管数量每18个月翻一番。

　　佳能 是CMOS坚定的支持者

　　要问谁才是CMOS感光元件坚定的支持者，那非佳能莫属。佳能在EOS系列数码单反相机上一直坚持使用CMOS作为感光元件。早在2000年，佳能就推出第一台采用CMOS感光元件的数码单反相机EOS D30，并且运用了如杂波去除技术、像素内电荷完全传送技术，成功克服了CMOS感光元件原有的种种缺陷，得到专业人士的认可。

　　经过这么多年的发展，佳能在感光元件方面积累了雄厚的技术力量和丰富的经验，不仅可以以较低的成本制造出较大尺寸的CMOS感光元件，并且可以将影像处理电路集成在里面。在常用的三款不同规格的大型CMOS感光元件中，技术含量最高的是EOS 1Ds Mark Ⅲ和EOS 5D Mark Ⅱ采用的35mm全画幅CMOS感光元件，确立了应用“分割曝光技术”，将超微小模式分两、三次传送的特有方式。通过大尺寸感光元件，能够捕捉更多的光信号，使图像的色彩和层次更丰富，带来更宽的动态范围和信噪比，保留更多的细节，并且在信号输出速度上大幅提升。

　　富士Super CCD　EXR的新理念

　　富士是除了索尼、佳能、松下之外，少有的几个掌握感光元件设计和生产的厂商之一，从1999年推出第一代Super CCD感光元件开始，富士数码相机就成为市场上最具特色，也是最有卖点的产品。

　　2009年初刚刚发布的Super CCD EXR，已经是富士开发的第九代Super CCD。从最初的把马赛克式排列改成蜂巢式排列，到推出一大一小两个感光点的SR，再到今天把两个同色感光点斜向排列在一起，只为一个目的，那就是真实还原。

　　Super CCD EXR采用了全新的红、绿、蓝间隔交错的蜂窝状排列，利用双重曝光控制技术，通过控制不同的曝光时间以实现不同的感光度。在这种全新的结构中，“A”和“B”两组捕捉通道“先后”同时工作，最终“A”和“B”两组通道所采集的图像信息合并生成最终图像。这一技术使图像捕捉实现了对高光和低光细节的全面捕捉，解决了高ISO、动态范围等技术难题。

　　SuperCCD EXR能否一鸣惊人，还得看近期用户的反馈

　　从目前已经上市，使用Super CCD EXR感光元件的数码相机F200 EXR拍摄出来的照片来看，色彩艳丽，层次以及细节过渡自然，对高光和暗部进行适当曝光后，细节保存完好，画面对比度没有受到任何影响，而在家庭用户最头疼的夜景环境下拍摄，画面噪点的控制已经接近数码单反相机。

　　索尼Exmor CMOS引入DC

　　采用Exmor CMOS感光元件的索尼HX1，是本月曝光率最高的一款数码相机。因为在此之前，Exmor CMOS感光元件仅配备在索尼α系列数码单反相机上的。

　　传统CMOS感光元件会将每个像素收集到的电荷信号导入CDS电路中然后传递到全矩阵共用的模数转换器上进行处理，而索尼Exmor CMOS感光元件为每一列配备了独立的模数转换器，更重要的是曝光时，单个像素可根据需要改变CDS电路增益(相当于改变ISO)，这对于CMOS宽容度不足应对高光能力较差和提高动态范围都有明显的好处，而且这个处理是直接在像素上完成的，相比使用机内算法或者导出使用软件处理将能够保留更多的细节。

　　此次索尼HX1所配备1/2.4英寸的Exmor CMOS感光元件，是索尼数码单反相机所使用的Exmor CMOS感光元件的小型化版本。将CMOS技术成功引入到消费级数码相机上，意义重大，一方面肯定了CMOS感光元件在民用市场应用的价值，另一方面，在技术上克服传统CMOS感光元件的弊端，将其性能优势进一步放大，对CMOS感光元件在中高端产品中的普及应用，起到积极的推动作用。

　　Exmor R CMOS的绝招

　　除了刚下放的Exmor CMOS技术，最近索尼的数码摄像机Handycam系列上应用了Exmor R CMOS影像传感器，相比Exmor CMOS，增加了“R”字样的新传感器采用了背照射技术，感光度比传统的CMOS影像传感器提高了约2倍。由于可以更为有效地利用光线，在弱光条件下，如夜间场景，用户可以体验到质量更高的影像画面。

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