CMOS的成像原理及發展
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| CMOS的成像原理及發展 |
| 數碼相機的影像傳感器對成像效果起著至關重要的作用，因此它也一直是數碼一族熱衷討論的話題。縱觀目前市場的結構可見，消費級DC中清一色的采用CCD，而在專業級DSLR中幾乎過半采用的是CMOS，這當然也有市場佔有率過半的佳能公司的功勞。我們仔細觀察時下各大相機廠商的動態，就可發覺佳能和柯達一直都在CMOS技術方面下苦功，適馬更是獲得了X3技術的庇護，就連尼康也在今年聯合索尼開發出了千萬像素級別的CMOS芯片，此外富士與松下也積極響應向CMOS陣營靠攏，這是不是也暗示了某種未來的市場趨勢呢？那麼CMOS緣何受寵DSLR領域呢？本文就將為您解答諸多看似復雜的問題。
目前主流的DSLR機型使用的CCD最多為600萬左右，即使現在索尼生產出了700萬、800萬像素的CCD，但想要將其安置在DSLR機身內的話，最終效果只能是與預期效果背道而馳不合實際。而CMOS傳感器卻高達1600萬以上像素，正是因為這一特有的現象，很容易讓消費者產生CMOS制造成本比CCD便宜的觀點，事實上就算是相同像素級的兩者比較起來，CMOS無論是其本身的制造工藝成本，還是周邊電路設計的總成本都比CCD高出許多，這並不像國內某些媒體報道的那樣成本低廉，否則市場中早就應該出現采用CMOS傳感器的消費級DC了。接下來就讓我來進一步了解CMOS的工作原理吧。 Part 1：CMOS的成像原理 CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) 中文譯名為互補金屬氧化物半導體，可細分為被動式像素傳感器（Passive Pixel Sensor CMOS）與主動式像素傳感器（Active Pixel Sensor CMOS）。它原本是計算機系統內一種重要的芯片，保存了系統引導最基本的資料。可是有人偶然間發現，將CMOS加工也可以作為數碼相機中的影像傳感器，緊跟著就由XirLink公司於1999年首次推向市場，2000年5月，美國Omnivision公司又推出了新一代的CMOS芯片。
CMOS最初曾被嘗試使用在數碼相機上，但與當時如日中天的CCD相比信噪比差，敏感度不夠，所以沒能佔居主流位置。當然它也具備多種優點，普通CCD必須使用3個以上的電源電壓，可是CMOS在單一電源下就可以運作，與CCD產品相比同像素級耗電量小。另外CMOS是標准工藝制程，可利用現有的半導體制造流水線，不需額外投資生產設備，並且品質可隨半導體技術的進步而提升，這點正是今年索尼能夠在很短時間內開發制造出CMOS芯片的原因。 具體工作時先由水平傳輸部采集信號，再由垂直傳輸部送出全部信號，故CMOS傳感器可以在每個像素基礎上進行信號放大，采用這種方法可進行快速的數據掃描，能夠勝任千萬像素級別的信息處理速率，單憑這點CCD就是望塵莫及的。 雖然CMOS當時有許多缺點，但是今些年來我們可愛的廠商找到了切實可行的解決辦法，佳能算是CMOS領域中造詣最深的廠商，它在2001年對CMOS技術作出了革命性的變更設計，目前其他幾家技術都有佳能的技術影子。 1．偏面消除噪點技術。為了消除每個像素的漂移和噪點，原傳感器控制部分經過重新的排線設計包含了一個增幅回路，它只吸收噪點信號而不處理光學信號，可以從光學信號中去除噪點部分令傳感器以很高的信噪比讀取信號。 2．全像素電荷轉移技術。由於每次讀取信號時，初始值都會變化，只依靠傳感器控制回路上的消除噪點技術無法完美地解決這個問題，通過引進全像素電荷轉移技術，即可維持光學信號和實現高信噪比處理。 3．傳感器模擬處理技術。傳感器控制電氣回路上集成一個PGA可編程增益轉換器，有效地降低了噪點，並加速了信號輸出能力，讓每秒約3張的高速連續拍攝成為可能。 Part 2：CMOS為何得寵 CCD起步較早技術成熟，CMOS要想在數碼相機領域與之平分秋色還需下一番苦工。佳能公司是CMOS技術的倡導者之一，也是目前整個行業中對CMOS技術擁有專利最多的廠商，把CMOS創新和大膽的應用在業內第一款萬元DSLR機型EOS 300D中，的確讓許多業內專家汗顏，同時也為我們完美地詮釋了「物美價廉」的定義。相比而言國內的一些廠商生產的千元級低價位機種普遍使用了CMOS作為圖像傳感器，這種做法只是最大限度地壓榨生產成本，並沒有對COMS本身進行有效的二次開發。
從兩種類型的傳感器類型來看，CMOS在不改造制造流水線的情況下就能克服高像素制造工藝的困難，而且像素的提升也要比CCD來得稍微容易些。生產流水線正是CCD制造的軟肋，隨著CCD尺寸的增加，其生產線也往往要做相應的調整，因此這也是高像素CCD國際市場千顆售價高居不下的原因。基本上在CMOS方面像素數的提升與影響傳感器尺寸的增加是相輔相成的，不至於出現此時CCD中出現的一幕——800萬像素還在使用500萬像素的2/3英寸框架這種啃老本的情況，故寬容度、信噪比等各方面都比小尺寸的CCD來的優越，這也正是800萬像素CCD至今無法運用到DSLR機身中的原因之一。 後記：CMOS發展的未來 開發使用CMOS當初只是佳能公司為了不受制於人的一個緩解之計，現在看來CMOS真的演繹了丑小鴨變白天鵝的神話。縱觀目前市場上采用CMOS的主流機型像素數基本都在600萬以上，但其元件尺寸並未縮水，試想假如一天CMOS技術成熟了，普及到消費級數碼相機上，那又會是什麼景象呢？難道CMOS真的要取代CCD成為主流嗎？問這樣的問題還不如問CMOS能否真的取代CCD。無論廠商還是消費者，最敏感的都莫過於價格，而廠商在乎的就是制造成本，現在500萬像素CCD的千顆單價為18美元，因此現在即使是佳能這樣有能力自己制造CMOS傳感器的生產商還是寧願購買第三方廠商制造的CCD來組裝自己的消費級DC，但相信總歸有一天CMOS能被武裝在消費級DC上。 另一方面，尼康D2X成為佳能、柯達之後的第三款采用全尺寸CMOS傳感器的DSLR，著實讓眾人吃了一驚，其制造商為索尼更是讓人意想不到。一直致力於CCD制造的索尼現在也有能力生產專業級別的CMOS傳感器，但仔細想想這其中必然有兩家間秘密的技術協議交換。尼康有CMOS技術的功底，早在2002年時尼康就與佳能、柯達及奧林巴斯在CMOS領域開展了廣泛的合作。很可惜之後發布的幾款產品中都未能見到CMOS技術的身影，反而出現了CMOS的變形技術LBCAST。而索尼有業內高水平的生產工藝及最先進的微透鏡技術，兩強聯手終於沖破了CMOS技術的壁壘。但據聞兩家間的秘密交換協議中有約定，索尼CMOS在近兩年內不會供貨給第三方廠商，因此要在今兩年內企望CMOS呈多元化發展是不太可能的事情，但這之後CMOS必定會在高端DSLR領域大放異彩。 |