风雨四十年 简评CCD与CMOS的发展历史

  【天极网数码频道】从2008年开始，各大厂商都开始逐渐把背照式CMOS使用在不同的数码相机产品上，例如佳能IXUS系列的“HS”技术，索尼的Exmor R技术和奥林巴斯的“iHS”等，可以说目前背照式CMOS的发展速度迅猛，应用广泛，是一种很有潜力的新型传感器技术。

  多年以前，当CMOS这种传感器还并没有完全被广泛应用的时候，CCD牢牢占据着当时大部分数码相机最核心的位置。随着科技的发展，技术的不断提高，CMOS作为后起之秀已经逐渐在取代前者CCD的地位并且不断的自我改良。优胜劣汰，这是自然中所有行业都要遵循的法则，我们并不能说CCD一定比CMOS的应用前景要差，但是CMOS作为当下在数码相机产业中应用最广的一种传感器，一定是有着其独特的优势以及发展空间的。所以今天我就来为大家讲一讲CCD与CMOS的故事。

 CCD:

  说到CCD，首先要介绍一下它的全名，CCD的英文全称是Charge-coupled Device，中文翻译成电荷耦合元件，是在1969年由美国贝尔实验室(Bell Labs)的维拉•波义耳(Willard S. Boyle)和乔治•史密斯(George E. Smith)所发明。CCD目前仍然广泛的应用在数码相机以及天文学等领域里。我们都知道CCD是一种数码时代中代替传统胶片的介质，其工作原理也是借助着最初胶片上的化学物质对光的感应原理而演变过来的。CCD它使用一种高感光度的半导体材料制成，能把光线转变成电荷，通过模数转换器芯片转换成数字信号，数字信号经过压缩以后由相机内部的闪速存储器或内置硬盘卡保存，因而可以轻而易举地把数据传输给计算机，并借助于计算机的处理手段，根据需要来修改图像。CCD由许多感光单位组成，通常以百万像素为单位。当CCD表面受到光线照射时，每个感光单位会将电荷反映在组件上，所有的感光单位所产生的信号加在一起，就构成了一幅完整的画面。

CCD传感器

  CCD的比较显著特点是：

  1.技术成熟

  2.成像质量高

  3.灵敏度高，噪声低，动态范围大;

  4.响应速度快，有自扫描功能，图像畸变小，无残像;

  5.应用超大规模集成电路工艺技术生产，像素集成度高，尺寸精确。

  CCD在相机里是一个极其重要的部件，它能将光线转换成电子信号储存起来，所以这个传感器的好坏将直接影响相机的性能，所以相机中的传感器也会被称作是一个相机的灵魂。评价一个CCD传感器好坏的指标有很多，例如像素数、CCD尺寸、信噪比等等。其中像素数以及CCD的尺寸是最重要的指标。像素数是指CCD上感光元件的数量。我们可以把我们所拍摄到的画面理解为由很多个小的点组成，每个点就是一个像素。显然，像素数越多，画面就会越清晰，如果CCD没有足够的像素的话，拍摄出来的画面的清晰度就会大受影响。因此，CCD的像素数量应该越多越好。但是为了得到更好的画质而增加了CCD的像素数后又必定会导致一个问题，那就是CCD制造成本的增加以及成品率下降。

CCD传感器工作原理

  CMOS:

  所以针对成本等一系列的问题，一种成本更低、功耗更低以及高整合度的CMOS传感器横空出世了。CMOS的英文全称是：Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，中文翻译为互补金属氧化物半导体，它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。CMOS的制造技术和一般计算机芯片没什么差别，主要是利用硅和锗这两种元素所做成的半导体，使其在CMOS上共存着带负电的N极和带正电的P极的半导体，这两个一正一负互补效应所产生的电流即可被处理芯片纪录和转换成影像。后来发现CMOS经过加工也可以作为数码摄影中的图像传感器。

CMOS传感器

  CMOS的光电信息转换功能与CCD的基本相似，区别就在于这两种传感器的光电转换后信息传送的方式不同。CMOS具有读取信息的方式简单、输出信息速率快、耗电省(仅为CCD芯片的1/10左右)、体积小、重量轻、集成度高、价格低等特点。正是考虑到CMOS传感器的制作成本以及成品率都要高于CCD传感器，所以几个知名厂商自2000起就开始加大对CMOS这种传感器的研发工作，目前CMOS的成长率已经达到了几倍于CCD的水平。我们可以看到，即使在早期尼康公司的数码单反产品中还会有一些型号的相机使用CCD传感器，但是无论是尼康、索尼还是佳能在近几年所推出的数码相机里，我们基本已经很难再看到CCD的踪影了。虽然使用CMOS传感器会节约相机的成本，但是成像质量对于相机来说仍然是最重要的，CMOS相比起CCD来说最大的致命伤就是画质，这是因为早期的CMOS有个明显的缺点，就是在电流变化时频率变快，因此不可避免的会产生热量，最终造成画面出现杂点影响成像质量。

 我们也可以通过以下几个方面看出CCD和CMOS各自不同的优缺点。

   CCD CMOS

  全称： 电荷耦合装置 互补金属氧化物半导体

  价格： 高 低

  噪声： 低 高

  耗电量  高 低 

  影响锐利度 高 一般

  动态范围 高 一般

  背照式CMOS:

 所以为了让CMOS能发展的更好，成像质量就是技术人员们需要解决的头等问题。转眼间来到了2008年，这一年对于CMOS的整个发展来说是具有历史意义的，在2008年的6月，索尼公司发布了背照式CMOS，并冠以Exmor R名称，并且把这个背照式CMOS应用在索尼XR500/XR520两款DV产品上。随后在2009年的8月，所以发布了首次使用背照式CMOS的两款数码相机索尼TX1和索尼WX1。从此，背照式CMOS迅速发展，并且随后多家厂商也都在数码相机中采用了索尼公司生产的背照式CMOS。

索尼背照式Exmor R CMOS

  背照式CMOS传感器最大的优化之处就是将元件内部的结构改变了，简单的将就是将感光层的元件调转方向，将原先从正面接收的光线改为从背面直射进去，这样一来就避免了在传统CMOS传感器结构中光线会受到微透镜和光电二极管之间的电路和晶体管的影响，显著的提高光的效能，从而改善光线不足时拍摄效果。

背照式CMOS工作原理（图片来源于网络）

 背照式CMOS作为一种新兴的主流趋势，必定会导致很多厂商在这上面大做文章，所以在2010年的8月，佳能公司也终于推出了旗下首款搭载背照式CMOS的数码相机佳能IXUS 300 HS，其中的HS SYSTEM为背照式CMOS与当时佳能最新的DIGIC 4所结合的一种全新的系统，以达到低光条件下也能得到高画质的图像。

佳能IXUS 300 HS

  总结：通过以上的介绍可以看出来，如果拿CCD和CMOS这两种传感器来比较的话，CCD这种传感器的最大的优点在于成像质量高，而CMOS最大的优点就在于成本低便于批量生产，而随着背照式CMOS的兴起，CMOS的缺点在不断的被完善。目前只有徕卡公司的多款数码产品以及一些中画幅数码相机或数码后背仍然在使用CCD传感器，这是因为不同产品对画质有着不同的要求，所以那些中画幅的数码产品也的价格也往往会高出普通数码相机许多。因此，可以说将来的相机市场的主要发展方向任然会是以CMOS作为核心，并在这个基础上不断提高CMOS的分辨率以及灵敏度等等。时代在进步，节约成本是每个商家都在坚持的经商法则，CCD的未来不一定在相机市场里，在其他领域，CCD也会凭借着自身的优势而被广泛的使用。科技不断发展，我相信在未来的某一天，一定会有更多种类的传感器出现，这也只是时间的问题，到那时我们回望过去，看看我们曾经经历过的胶片时代、CCD时代和CMOS时代，一定会由衷的感叹科技日新月异的飞速发展。