CMOS的成像原理及发展
2010-05-26 22:36:25   来源：不详   评论：0 点击：

   数码相机的影像传感器对成像效果起着至关重要的作用，因此它也一直是数码一族热衷讨论的话题。纵观目前市场的结构可见，消费级DC中清一色的采用CCD，而在专业级DSLR中几乎过半采用的是CMOS，这当然也有市场占有率过半的佳能公司的功劳。我们仔细观察时下各大相机厂商的动态，就可发觉佳能和柯达一直都在CMOS技术方面下苦功，适马更是获得了X3技术的庇护，就连尼康也在今年联合索尼开发出了千万像素级别的CMOS芯片，此外富士与松下也积极响应向CMOS阵营靠拢，这是不是也暗示了某种未来的市场趋势呢？那么CMOS缘何受宠DSLR领域呢？本文就将为您解答诸多看似复杂的问题。
接触数码相机时间长了便了解像素越高，影像传感器内部集成的感光电极也越多，同时我们也应该想到提升像素势必要涉及到制造成本，每提高一个等级，数码相机的价格都要高出一截，而且提升到一定程度后，CCD传感器由于制造工艺的限制，短时间内很难再有所突破。

     目前主流的DSLR机型使用的CCD最多为600万左右，即使现在索尼生产出了700万、800万像素的CCD，但想要将其安置在DSLR机身内的话，最终效果只能是与预期效果背道而驰不合实际。而CMOS传感器却高达1600万以上像素，正是因为这一特有的现象，很容易让消费者产生CMOS制造成本比CCD便宜的观点，事实上就算是相同像素级的两者比较起来，CMOS无论是其本身的制造工艺成本，还是周边电路设计的总成本都比CCD高出许多，这并不像国内某些媒体报道的那样成本低廉，否则市场中早就应该出现采用CMOS传感器的消费级DC了。接下来就让我来进一步了解CMOS的工作原理吧。

Part 1：CMOS的成像原理

    CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) 中文译名为互补金属氧化物半导体，可细分为被动式像素传感器（Passive Pixel Sensor CMOS）与主动式像素传感器（Active Pixel Sensor CMOS）。它原本是计算机系统内一种重要的芯片，保存了系统引导最基本的资料。可是有人偶然间发现，将CMOS加工也可以作为数码相机中的影像传感器，紧跟着就由XirLink公司于1999年首次推向市场，2000年5月，美国Omnivision公司又推出了新一代的CMOS芯片。

    CMOS最初曾被尝试使用在数码相机上，但与当时如日中天的CCD相比信噪比差，敏感度不够，所以没能占居主流位置。当然它也具备多种优点，普通CCD必须使用3个以上的电源电压，可是CMOS在单一电源下就可以运作，与CCD产品相比同像素级耗电量小。另外CMOS是标准工艺制程，可利用现有的半导体制造流水线，不需额外投资生产设备，并且品质可随半导体技术的进步而提升，这点正是今年索尼能够在很短时间内开发制造出CMOS芯片的原因。

    从技术角度分析成像原理，核心结构上每单位像素点由一个感光电极、一个电信号转换单元、一个信号传输晶体管，以及一个信号放大器所组成。理论上CMOS感受到的光线经光电转换后使电极带上负电和正电，这两个互补效应所产生的电信号（电流或者电势差）被CMOS从一个一个像素当中顺次提取至外部的A/D（模/数）转换器上再被处理芯片记录解读成影像。

    具体工作时先由水平传输部采集信号，再由垂直传输部送出全部信号，故CMOS传感器可以在每个像素基础上进行信号放大，采用这种方法可进行快速的数据扫描，能够胜任千万像素级别的信息处理速率，单凭这点CCD就是望尘莫及的。

    虽然CMOS当时有许多缺点，但是今些年来我们可爱的厂商找到了切实可行的解决办法，佳能算是CMOS领域中造诣最深的厂商，它在2001年对CMOS技术作出了革命性的变更设计，目前其他几家技术都有佳能的技术影子。

1．偏面消除噪点技术。为了消除每个像素的漂移和噪点，原传感器控制部分经过重新的排线设计包含了一个增幅回路，它只吸收噪点信号而不处理光学信号，可以从光学信号中去除噪点部分令传感器以很高的信噪比读取信号。

2．全像素电荷转移技术。由于每次读取信号时，初始值都会变化，只依靠传感器控制回路上的消除噪点技术无法完美地解决这个问题，通过引进全像素电荷转移技术，即可维持光学信号和实现高信噪比处理。

3．传感器模拟处理技术。传感器控制电气回路上集成一个PGA可编程增益转换器，有效地降低了噪点，并加速了信号输出能力，让每秒约3张的高速连续拍摄成为可能。

Part 2：CMOS为何得宠

    CCD起步较早技术成熟，CMOS要想在数码相机领域与之平分秋色还需下一番苦工。佳能公司是CMOS技术的倡导者之一，也是目前整个行业中对CMOS技术拥有专利最多的厂商，把CMOS创新和大胆的应用在业内第一款万元DSLR机型EOS 300D中，的确让许多业内专家汗颜，同时也为我们完美地诠释了“物美价廉”的定义。相比而言国内的一些厂商生产的千元级低价位机种普遍使用了CMOS作为图像传感器，这种做法只是最大限度地压榨生产成本，并没有对COMS本身进行有效的二次开发。

    CMOS在数码单反领域的普及要感谢佳能和柯达两位影像巨人，他们都向市场推出了千万像素级的DSLR机型，尤其是佳能公司在其EOS产品线中，除了1D使用的是CCD外，其他型号均无例外采用CMOS传感器。CMOS在高端占有率如此之高和厂商的研发能力及市场反映的冷热程度不无关系，比如2003年佳能公司在DSLR市场的占有率为75％，从这一数据看来CMOS至少已经占据了半壁江山，相信04年随着D70翻身的尼康的市场占有率有惊人的表现，看来CMOS又要拱手部分占据以久的市场了。

    从两种类型的传感器类型来看，CMOS在不改造制造流水线的情况下就能克服高像素制造工艺的困难，而且像素的提升也要比CCD来得稍微容易些。生产流水线正是CCD制造的软肋，随着CCD尺寸的增加，其生产线也往往要做相应的调整，因此这也是高像素CCD国际市场千颗售价高居不下的原因。基本上在CMOS方面像素数的提升与影响传感器尺寸的增加是相辅相成的，不至于出现此时CCD中出现的一幕——800万像素还在使用500万像素的2/3英寸框架这种啃老本的情况，故宽容度、信噪比等各方面都比小尺寸的CCD来的优越，这也正是800万像素CCD至今无法运用到DSLR机身中的原因之一。

后记：CMOS发展的未来

    开发使用CMOS当初只是佳能公司为了不受制于人的一个缓解之计，现在看来CMOS真的演绎了丑小鸭变白天鹅的神话。纵观目前市场上采用CMOS的主流机型像素数基本都在600万以上，但其元件尺寸并未缩水，试想假如一天CMOS技术成熟了，普及到消费级数码相机上，那又会是什么景象呢？难道CMOS真的要取代CCD成为主流吗？问这样的问题还不如问CMOS能否真的取代CCD。无论厂商还是消费者，最敏感的都莫过于价格，而厂商在乎的就是制造成本，现在500万像素CCD的千颗单价为18美元，因此现在即使是佳能这样有能力自己制造CMOS传感器的生产商还是宁愿购买第三方厂商制造的CCD来组装自己的消费级DC，但相信总归有一天CMOS能被武装在消费级DC上。

    另一方面，尼康D2X成为佳能、柯达之后的第三款采用全尺寸CMOS传感器的DSLR，着实让众人吃了一惊，其制造商为索尼更是让人意想不到。一直致力于CCD制造的索尼现在也有能力生产专业级别的CMOS传感器，但仔细想想这其中必然有两家间秘密的技术协议交换。尼康有CMOS技术的功底，早在2002年时尼康就与佳能、柯达及奥林巴斯在CMOS领域开展了广泛的合作。很可惜之后发布的几款产品中都未能见到CMOS技术的身影，反而出现了CMOS的变形技术LBCAST。而索尼有业内高水平的生产工艺及最先进的微透镜技术，两强联手终于冲破了CMOS技术的壁垒。但据闻两家间的秘密交换协议中有约定，索尼CMOS在近两年内不会供货给第三方厂商，因此要在今两年内企望CMOS呈多元化发展是不太可能的事情，但这之后CMOS必定会在高端DSLR领域大放异彩。

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