CCD vs CMOS 分別 PART II

龍

CCD vs CMOS 2006/05/16 11:14

想回應不過礙於800字的限制乾脆重新發一篇....
第一篇
CCD〈Charge Coupled Device ，感光耦合元件〉
為數位相機中可記錄光線變化的半導體，通常以百萬像素〈megapixel〉 為單位。數位相機規格中的多少百萬像素，指的就是CCD的解析度，也就是指這台數位相機的CCD上有多少感光元件。 CCD上感光元件的表面具有儲存電荷的能力，並以矩陣的方式排列。當其表面感受到光線時，會將電荷反應在元件上，整個CCD上的所有感光元件所產生的訊號，就構成了一個完整的畫面。因此，CCD通常用在數位相機〈Digital Camera〉與掃瞄器〈Scanner〉上，作為感光的元件。  
CMOS〈Complementary Metal-Oxide Semiconductor，互補性氧化金屬半導體〉
和CCD一樣同為在數位相機中可記錄光線變化的半導體。CMOS的製造技術和一般電腦晶片沒什麼差別，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（參考以下之電路圖）。然而，CMOS的缺點就是太容易出現雜點, 這主要是因為早期的設計使CMOS在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。
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。
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第二篇
不管，CCD 或 CMOS，基本上兩者都是利用矽感光二極體（photodiode）進行光與電的轉換。這種轉換的原理與各位手上具備『太陽電能』電子計算機的『太陽能電池』效應相近光線越強、電力越強；反之，光線越弱、電力也越弱的道理，將光影像轉換為電子數位資訊。
CCD每曝光一次，在快門關閉後進行畫素轉移處理，將每一行中每一個畫素（pixel）的電荷信號依序傳入『緩衝器』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 輸出；相對地，CMOS 的設計中每個畫素旁就直接連著 ADC（放大兼類比數位信號轉換器），訊號直接放大並轉換成數位資料。
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。
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：
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。

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。

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。

雜訊差異：
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。

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。
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間與能力的縮短；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。
嗯嗯嗯~由上述兩篇可以見得，無論CCD或是CMOS都有它進步的空間甚至兩者是呈現互補的狀態，CMOS已經有了低成本與省電的優勢如果未來朝向更精細的畫質與更大的解析度來發展，而CCD若是降低成本與提高省電這兩方面來加強... 哈哈哈~期待更便宜更優質的產品上市！

蘇豪

正野，唔推上去對唔住自己!