感光器材CCD、CMOS大不同

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感光器材CCD、CMOS大不同

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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。

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