CCD與CMOS感光元件~~原理解析~~

bobo1319

CMOS和CCD一樣同為在數位相機中可記錄光線變化的半導體 ，外觀上幾乎無分軒輊。但，CMOS的製造技術和CCD 不同，反而比較接近一般電腦晶片。CMOS 的材質主要是利用矽和鍺這兩種元素所做成的半導體，使其在CMOS上共存著帶N（帶 – 電） 和 P（帶 + 電）級的半導體，這兩個互補效應所產生的電流即可被處理晶片紀錄和解讀成影像。然而，CMOS因為在畫素的旁邊就放置了訊號放大器，導致其缺點容易出現雜點 ，特別是處理快速變化的影像時，由於電流變化過於頻繁而會產生過熱的現象，更使得雜訊難以抑制。
 
　　
CMOS 對抗 CCD的優勢在於成本低，耗電需求少, 便於製造, 可以與影像處理電路同處於一個晶片上。但由於上述的缺點，CMOS 只能在經濟型的數位相機市場中生存。 不過，新一代 『Fill Factor CMOS』 成為解決這個難題的救星，Fill factor CMOS 屬於此型感測器中最先進的製程技術。最大的差別在於提高 Fill Factor（單一畫素中可吸收光的面積對整個畫素的比例），有效做到提升敏感度、放大CMOS面積（全片幅）和降低雜訊的影響。再將 Fill Factor CMOS 與 CCD 感光器比較發現，CCD 受限於良率和結構製程，面積越小，畫素越高，相對成本也就越低；Fill Factor CMOS 剛好相反，由於感光開口加大，FF CMOS 可以挑戰更高畫素，更大面積（全片幅），甚至就產出比例來說，FF CMOS 單一晶圓的附加價值更大。
 
搭載於 Canon EOS 350D 數位機身上之 CMOS 元件特寫
　　
由於 Fill Factor CMOS 技術的特殊性，自身擁有晶圓生產設備的日本 Canon 可以說是最早體悟到 Fill Factor CMOS 的市場潛力。Canon EOS D30 是該公司最早選擇以 FF CMOS當感光元件數位 DSLR 產品，低廉的價格頗受消費者支持。雖然，EOS D30的畫質表現普通，不過，後續的研究整合了完整的圖像處理引擎等，更高速且尖端的影像技術，今日，採用大畫素、全片幅之 Fill Factor CMOS 已經成為主流，高階旗艦級全片幅數位機身包括：Canon 1DsMarkII、Kodak DCS Pro/c 也全面採用 Fill factor CMOS。


CCD 與 CMOS 感光元件結構透視
CCD 和 CMOS 感光元件的區別
 
Olympus E1 CCD 感光套件（包含超音波除塵器）
　　
對於大多數的同學來說，看得到的卻是一顆顆已經整合好的晶片組合！內部詳細的結構，以及到底是如何運作產生我們看到的一幅幅數位照片，且我們撇開複雜的技術文字，透過圖片比較，來看這兩種不同類型，作用卻又相同的影像感光元件。
放大器位置和數量
 
　　
比較 CCD 和 CMOS 的結構，放大器的位置和數量是最大的不同之處，CCD 每曝光一次，自快門關閉或是內部時脈自動斷線（電子快門）後，即進行畫素轉移處理，將每一行中每一個畫素（pixel）的電荷信號依序傳入『緩衝器（電荷儲存器）』中，由底端的線路導引輸出至 CCD 旁的放大器進行放大，再串聯 ADC（類比數位資料轉換器） 輸出；相對地，CMOS 的設計中每個畫素旁就直接連著『放大器』，光電訊號可直接放大再經由 BUS 通路移動至 ADC 中轉換成數位資料。
兩者優缺點的比較
　　　　　CCD 　　　　　　　　CMOS
設計 　　單一感光器 　　　　　感光器連結放大器
靈敏度 　同樣面積下較高 　　　感光開口小低
　　　　　　　　　　　　　　　（Fill Factor 因感光開口大，較高）
成本 　　線路品質影響良率　　 整合製程
         高                   低
解析度   結構複雜度低         傳統技術較低
         高                   新技術擺脫面積限制，可達全片幅
雜訊比   單一放大器主控       多元放大器，誤差大
         低                   高
耗能比   需外加電壓導出電荷   畫素直接放大
         高                   低
反應速度 慢                   快
IPA      無                   有
製造機具 特殊訂製機台         可以使用記憶體或處理器製造機
   
由於構造上的基本差異，我們可以表列出兩者在性能上的表現之不同。CCD的特色在於充分保持信號在傳輸時不失真（專屬通道設計），透過每一個畫素集合至單一放大器上再做統一處理，可以保持資料的完整性；CMOS的制程較簡單，沒有專屬通道的設計，因此必須先行放大再整合各個畫素的資料。
 
CCD 與 CMOS 電路結構之完整比較（摘錄自 SHARP 月刊）
  
差異分析
　　
整體來說，CCD 與 CMOS 兩種設計的應用，反應在成像效果上，形成包括 ISO 感光度、製造成本、解析度、雜訊與耗電量等，不同類型的差異：
1 ISO 感光度差異：
   
由於 CMOS 每個畫素包含了放大器與A/D轉換電路，過多的額外設備壓縮單一畫素的感光區域的表面積，因此在 相同畫素下，同樣大小之感光器尺寸，CMOS的感光度會低於CCD。
2 成本差異：
　　
CMOS 應用半導體工業常用的 MOS制程，可以一次整合全部周邊設施於單晶片中，節省加工晶片所需負擔的成本 和良率的損失；相對地 CCD 採用電荷傳遞的方式輸出資訊，必須另闢傳輸通道，如果通道中有一個畫素故障（Fail），就會導致一整排的 訊號壅塞，無法傳遞，因此CCD的良率比CMOS低，加上另闢傳輸通道和外加 ADC 等周邊，CCD的製造成本相對高於CMOS。
3 解析度差異：
　　
在第一點『感光度差異』中，由於 CMOS 每個畫素的結構比 CCD 複雜，其感光開口不及CCD大， 相對比較相同尺寸的CCD與CMOS感光器時，CCD感光器的解析度通常會優於CMOS。不過，如果跳脫尺寸限制，目前業界的CMOS 感光原件已經可達到1400萬 畫素 / 全片幅的設計，CMOS 技術在量率上的優勢可以克服大尺寸感光原件製造上的困難，特別是全片幅 24mm-by-36mm 這樣的大小。
4 解析度差異：
　　
由於CMOS每個感光二極體旁都搭配一個 ADC 放大器，如果以百萬畫素計，那麼就需要百萬個以上的 ADC 放大器，雖然是統一製造下的產品，但是每個放大器或多或少都有些微的差異存在，很難達到放大同步的效果，對比單一個放大器的CCD，CMOS最終計算出的雜訊就比較多。
5 耗電量差異：
　　
CMOS的影像電荷驅動方式為主動式，感光二極體所產生的電荷會直接由旁邊的電晶體做放大輸出；但CCD卻為被動式， 必須外加電壓讓每個畫素中的電荷移動至傳輸通道。而這外加電壓通常需要12伏特（V）以上的水平，因此 CCD 還必須要有更精密的電源線路設計和耐壓強度，高驅動電壓使 CCD 的電量遠高於CMOS。
6 其他差異：
　　
IPA（Indiviual Pixel Addressing）常被使用在數位變焦放大之中，CMOS 必須仰賴 x,y 畫面定位放大處理，否則由於個別畫素放大器之誤差，容易產生畫面不平整的問題。製造機具上，CCD 必須特別訂製的機台才能製造，也因此生產高畫素的 CCD 元件產生不出日本和美國，CMOS 的生產一般記憶體/處理器機台即可擔負。
Fill Factor CMOS 開創新未來
 
CMOS 完整 3D透視 與 平面結構，位於最上層的為 MicroLens 微型聚光鏡片

　　
儘管 CCD 在影像品質等各方面均優於CMOS，但不可否認的CMOS具有低成本、低耗電以及高整合度的特性。 由於數位影像的需求熱烈，CMOS的低成本和穩定供貨，成為廠商的最愛，也因此其製造技術不斷地改良更新，使得 CCD 與 CMOS 兩者的差異逐漸縮小 。新一代的CCD朝向耗電量減少作為改進目標，以期進入照相手機的行動通訊市場；CMOS系列，則開始朝向大尺寸面積與高速影像處理晶片統合，藉由後續的影像處理修正雜訊以及畫質表現， 特別是 Canon 系列的 EOS D30 、EOS 300D 的成功，足見高速影像處理晶片已經可以勝任高畫素 CMOS 所產生的影像處理時賀能力的縮短；另外，大尺寸全片幅則以 Kodak DCS Pro14n、DCS Pro/n、DCS Pro/c 這一系列的數位機身為號召，CMOS未來跨足高階的影像市場產品，前景可期。
 
　　
Fill Factor CMOS 由於感光開口加大，不需要MicroLens輔助聚光，改以平面玻璃覆蓋保護，
此一不同之處，使得 FF CMOS 的影像表現不會受制於微型鏡片的干擾，而能夠呈現更佳的影像效果




《 本帖最後由 瘋狂小龜 於 2008-10-9 13:38 編輯 》

j611117

哇大大這樣精闢到位的說明真的是超利害的
佩服佩服

范佩西

1" Sensor Size Diagonal=16mm,我一直無法解釋的很清楚,現在總算有說詞了,精采!

22355008

多謝您解破小弟ㄉ迷思.ㄧ直被CCD及CMOS困擾著.
真心ㄉ感謝

liu640

妳的介紹實在是太專業了 妳是做這一行的工程師阿

老色羊

大大:
      

非常謝謝您相當細膩的解說!看您這篇文章勝過兩本書!我玩DSC也玩DSLR從陸地上拍到海底!期盼有機會和您交換交流!

zirt

這位大哥你人真好呀
講解了這麼多~~而且都是很重要的
重點是說得很清楚的啦~~謝謝啦

hamburg

樓主真是介紹詳細,不知道有無下一代來取代CCD與CMOS

v123

巨細靡遺的說明  感謝大大的分享