CMOS的成像原理及发展
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CMOS的成像原理及发展
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| 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。
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。 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。
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。 |