CMOS和CCD傳感器的分類和特點(diǎn)詳解

圖像傳感器在智能手機(jī)、照相機(jī)、攝像機(jī)中都發(fā)揮著十分關(guān)鍵的作用。在CIS、CMOS和CCD三類傳感器中，人們經(jīng)常討論的是CMOS和CCD圖像傳感器之間的比較優(yōu)勢(shì)，本文將簡(jiǎn)單介紹兩種傳感器的分類及特點(diǎn)，并會(huì)給出選擇兩種傳感器產(chǎn)品時(shí)的一些實(shí)用建議。

CMOS傳感器與CCD傳感器對(duì)比

CCD成像質(zhì)量好，但是制造工藝復(fù)雜，能夠生產(chǎn)的廠家也比較少，價(jià)格也相對(duì)來說比較高，并且功耗也很高，因此，不適合在移動(dòng)設(shè)備上使用。而CMOS傳感器耗電低，但是畫質(zhì)水平比不上CCD，不過隨著技術(shù)的提高，COMS的畫質(zhì)已經(jīng)逐步趕上了CCD，另外，在相同分辨率下，CMOS價(jià)格比CCD便宜，所以目前市面上的手機(jī)攝像頭都采用CMOS傳感器。

CMOS傳感器的分類

通常CMOS傳感器又會(huì)分為：背照式CMOS傳感器和堆棧式CMOS傳感器。

背照式CMOS傳感器

堆棧式CMOS

所謂背照式CMOS傳感器其實(shí)是與傳統(tǒng)正照式CMOS傳感器相對(duì)的。簡(jiǎn)單來說就是將光電二極管和布線層進(jìn)行對(duì)調(diào)，從而讓光線首先進(jìn)入感光電二極管，從而增大感光量，顯著提高低光照條件下的拍攝效果。像我們所熟知的iPhon、小米、魅族都是搭載的這類傳感器。

而堆棧式CMOS傳感器則是背照式CMOS傳感器的衍生產(chǎn)物，它是目前手機(jī)攝像頭中應(yīng)用最廣泛的一種，也是最先進(jìn)的一種，屬于索尼的獨(dú)家技術(shù)。

堆棧式CMOS傳感器使用有信號(hào)處理電路的芯片替代了原來背照CMOS圖像傳感器的支持基板，在芯片上重疊形成背照CMOS元件的像素部分，從而實(shí)現(xiàn)了在較小的芯片尺寸上形成大量像素點(diǎn)的工藝。由于像素部分和電路部分分別獨(dú)立，因此像素部分可針對(duì)高畫質(zhì)優(yōu)化，電路部分可針對(duì)高性能優(yōu)化。

需要說明的是感光元件只是手機(jī)類攝像頭組成中不可或缺的一部分，但不是成像質(zhì)量的決定性因素，這其中還包括廠商通過軟件對(duì)硬件的優(yōu)化調(diào)校，使其讓人感覺最好的效果，這也是目前各家廠商在手機(jī)攝像畫質(zhì)方面效果差異最大的決定性因素之一。

CCD傳感器的分類

面陣CCD

允許拍攝者在任何快門速度下一次曝光拍攝移動(dòng)物體。面陣CCD的結(jié)構(gòu)一般有3種。第一種是幀轉(zhuǎn)性 CCD。它由上、下兩部分組成，上半部分是集中了像素的光敏區(qū)域 ，下半部分是被遮光而集中垂直寄存器的存儲(chǔ)區(qū)域。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單并容易增加像素?cái)?shù)，缺點(diǎn)是CCD尺寸較大，易產(chǎn)生垂直拖影 。第二種是行間轉(zhuǎn)移性CCD。它是目前CCD的主流產(chǎn)品，它們是像素群和垂直寄存器在同一平面上，其特點(diǎn)是在1個(gè)單片上，價(jià)格低，并容易獲得良好的攝影特性。第三種是幀行間轉(zhuǎn)移性CCD。它是第一種和第二種的復(fù)合型，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但能大幅度減少垂直拖影并容易實(shí)現(xiàn)可變速電子快門等優(yōu)點(diǎn)。

線陣CCD

用一排像素掃描過圖片，做三次曝光——分別對(duì)應(yīng)于紅、綠、藍(lán) 三色濾鏡，正如名稱所表示的，線性傳感器是捕捉一維圖像。初期應(yīng)用于廣告界拍攝靜態(tài)圖像，線性陣列，處理高分辨率的圖像時(shí)，受局限于非移動(dòng)的連續(xù)光照的物體。

三線傳感器CCD

在三線傳感器中，三排并行的像素分別覆蓋RGB濾鏡，當(dāng)捕捉彩色圖片時(shí)，完整的彩色圖片由多排的像素來組合成。三線CCD傳感器多用于高端數(shù)碼相機(jī)，以產(chǎn)生高的分辨率和光譜色階。

交織傳輸CCD

這種傳感器利用單獨(dú)的陣列攝取圖像和電量轉(zhuǎn)化，允許在拍攝下一圖像時(shí)在讀取當(dāng)前圖像。交織傳輸CCD通常用于低端數(shù)碼相機(jī)、攝像機(jī)和拍攝動(dòng)畫的廣播拍攝機(jī)。

全幅面CCD

此種CCD具有更多電量處理能力，更好動(dòng)態(tài)范圍，低噪音和傳輸光學(xué)分辨率，全幅面CCD允許即時(shí)拍攝全彩圖片。全幅面CCD由并行浮點(diǎn)寄存器、串行浮點(diǎn)寄存器和信號(hào)輸出放大器組成。全幅面CCD曝光是由機(jī)械快門或閘門控制去保存圖像，并行寄存器用于測(cè)光和讀取測(cè)光值。圖像投攝到作投影幕的并行陣列上。此元件接收?qǐng)D像信息并把它分成離散的由數(shù)目決定量化的元素。這些信息流就會(huì)由并行寄存器流向串行寄存器。此過程反復(fù)執(zhí)行，直到所有的信息傳輸完畢。接著，系統(tǒng)進(jìn)行精確的圖像重組。

了解了兩種圖像傳感器的特點(diǎn)和分類之后，具體到攝像機(jī)搭載的傳感器的選擇，一般遵循以下原則：

一、低照度環(huán)境下宜使用CCD攝像機(jī)

由于CCD感光單元有效面積大，在光照強(qiáng)度較低的環(huán)境中，能相對(duì)清晰地呈現(xiàn)出被攝物體原貌。相反，CMOS傳感器靈敏度低，ISO感光度差，低照時(shí)成像清晰度大大降低。所以，在低照度環(huán)境下，如燈光較暗的停車場(chǎng)、樓梯間、封閉通道和暗室等，宜選用感光靈敏的CCD攝像機(jī)。

二、隱蔽環(huán)境中使用CMOS攝像機(jī)

CMOS傳感器可以將所有邏輯和控制環(huán)都放在同一個(gè)硅芯片塊上，使攝像機(jī)變得簡(jiǎn)單靈巧，因此CMOS攝像機(jī)可以做得非常小。而CCD攝像機(jī)限于外圍復(fù)雜電路影響，體積無法做到CMOS般微型化。對(duì)于道路、門口等攝像機(jī)易受不法分子攻擊破壞的場(chǎng)合，選用CMOS攝像機(jī)能達(dá)到隱蔽執(zhí)法、避免攻擊的作用。

三、圖像質(zhì)量要求高的場(chǎng)合選用CCD攝像機(jī)

CCD結(jié)構(gòu)中由于每行僅有一個(gè)ADC，信號(hào)放大比例一致，所以圖像還原真實(shí)自然、噪點(diǎn)低，在對(duì)畫質(zhì)要求苛刻的場(chǎng)合宜選用CCD攝像機(jī)。

四、高幀攝像時(shí)選用CMOS攝像機(jī)更佳

前面提到過，CCD傳感器在數(shù)據(jù)處理方面存在“瓶頸”。而 CMOS傳感器不需要復(fù)雜的處理過程，直接將圖像半導(dǎo)體產(chǎn)生的光電信號(hào)轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)，因此處理非?？臁＿@個(gè)優(yōu)點(diǎn)使得CMOS傳感器對(duì)于高幀攝像機(jī)非常有用，速度能達(dá)到400到2000幀/秒。所以對(duì)于高速攝像場(chǎng)所，選用CMOS攝像機(jī)效果更佳。