淺說CCD與Sony CMOS

2008-03-19 本刊編輯部依馬獅廣電資訊網

    我們都知道成像器件是攝像機，數碼照相機的關鍵部分。成像器件的任務就是實現光電轉換——將鏡頭捕捉的光信號轉換成電信號進行處理。目前有兩種成像器件：CCD和CMOS。CCD(Charge Coupled Device )電子耦合器件，在上個世紀70年代初開發成功，在80年代初期就被應用于攝像機。現已被廣泛應用于攝像機和數碼照相機。
    CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)，即“互補金屬氧化物半導體”，大家都說它是剛剛起步的新技術。其實CMOS也有很長的歷史。從上個世紀90年代，人們就已經對CMOS進行廣泛的研究了。人們早已發現CMOS的一些特有優點，并逐漸開發利用這些優點，將CMOS廣泛地手機、PDA、單反相機等。
    CMOS最早是用在計算機CPU和內存上的，是主板上一塊可讀寫的存儲芯片，用于存儲計算機系統的時鐘信息和硬件配置信息等。隨著CMOS技術的發展，CMOS也逐漸應用到攝像機系統中作為成像器，也就是CMOS成像器。由于CMOS成像器采用一般半導體電路最常用的CMOS工藝，可以輕易地將周邊電路(如AGC、CDS、Timing generator、或DSP等)集成到傳感器芯片中，從而繼承了CMOS低功耗，小型化的特點，非常適用于小型的手持式攝像機。
那么，CMOS與CCD相比有哪些優缺點呢？在說Sony CMOS技術之前，首先我們將傳統CMOS與CCD做一簡單的比較說明。

傳統CMOS的主要優點：
    1，信號讀出速率高。
    由于大部分信號處理電路可與CMOS在同一片芯片上制作，信號機驅動傳輸距離縮短，電感、電容及寄生延遲降低，信號讀出采用X-Y尋址方式，CMOS圖像傳感器工作速率優于CCD。CCD信號讀出速率通常不超過70M pixels/s，CMOS可達1000M pixels/s。因此，CMOS更容易實現高質量的平穩慢動作記錄、方便對焦的無損數字圖像擴展(Expand)等。這些功能在HVR-V1C中都有體現。
    2，無垂直拖尾。
    垂直拖尾指的是當拍攝高亮度發光物體時，如照明燈、太陽，畫面上出現一條垂直亮帶。因為在CCD成像器上，當光照產生的電信號超過了二極管（垂直存儲器）的容量時，二極管（垂直存儲器）電荷會發生溢出，從而產生了垂直拖尾現象。而由于CMOS特殊的成像結構，這種現象不會出現。
    3，低功耗。
    簡單地講，CCD需要很多驅動電壓（-7.5V到15V）來驅動電荷轉移。在這種電荷轉移中需要消耗大量電能。相反，CMOS采用傳統CMOS大規模集成電路工藝，只需一個電源驅動即可。CMOS的耗電量僅為CCD的1/8到1/10。
    4，集成程度高。
    由于CMOS成像器采用一般CMOS大規模集成電路工藝，所以很容易將其他功能芯片一起整合到CMOS芯片上。比如說在一塊芯片上可同時實現視頻信號處理和靜止圖片信號處理，而這在CCD上是難以實現的。同時大規模集成電路的生產也降低了成本。集成程度高的特點使得CMOS更適合于低功耗的小型手持式攝像機。

傳統CMOS的主要缺點：
    1，固定模式噪點：
    由于CMOS每個感光二極管都需搭配一個放大器，如果以百萬像素計，那么就需要百萬個以上的放大器，而放大器屬于模擬電路，很難讓每個放大器所得到的結果保持一致，因此與只有一個放大器放在芯片邊緣的發展成熟的CCD成像器相比，CMOS傳感器的噪點就會增加很多，大大影響圖像了品質。同時由于集成度高，各光電傳感元件、電路之間距離很近，相互之間的光、電、磁干擾較嚴重。
    CMOS產生的典型噪點就是固定模式噪點。這就是人們一直說CMOS的圖像質量差比CCD差的主要原因。所以盡管CMOS有很多優點，但固定模式噪點的缺陷制約了傳統CMOS一直只在小尺寸、低價格、攝像質量無過高要求的應用，監控、視頻會議、手機、PC等，難以應用在高圖像質量攝像機中。近幾年，隨著CMOS電路消噪技術、數字信號處理技術的不斷發展，CMOS在這方面的性能已經與CCD相差無幾了。
    2，拍攝快速運動圖像時圖像變歪。
    CCD在光照的同時就能就能將信號存儲起來。然后一幀畫面的信號從垂直存儲區讀出。配合著電子快門的使用，這樣的機制可以很好地捕捉到快速運動物體的每一幀畫面。而CMOS的掃描時基于行的。每個像素的掃描時間不同。導致了在拍快速運動物體時出現傾斜。圖像的傾斜程度是與運動物體的速度和記錄幀率有關的。當記錄幀率足夠高時，這樣的現象就不會被察覺。使用機械快門也可以減輕圖像傾斜。
    3，靈敏度較低：
    靈敏度代表傳感器的光敏單元收集光子產生電荷信號的能力。相同尺寸情況下，CCD的靈敏度要比傳統CMOS要高。這主要是因為CCD像元耗盡區深度可達10mm，具有可見光進近紅外光譜段的完全收集能力。CMOS采用0.18～0.5mm標準CMOS工藝，由于采用的電阻率硅片須保持地工作電壓，像元耗盡區1～2mm，其吸收截至波長小于650mm，導致像元對紅光及近紅外光吸收困難。
    由以上可以看出，傳統CMOS雖然有其許多特有優點，但其在圖像質量上的缺點使CMOS一直難以用在對攝像質量要求高的專業攝像機上。隨著CMOS技術的發展，特別是最近幾年，CMOS的圖像質量已經得到了大幅度的改善，在某些方面已經接近甚至超過了CCD。其中，以Sony的CMOS研究與開發最為成功。

Sony CMOS技術
Sony有著多年的CCD開發經驗，擁有領先世界的CCD制造技術。近幾年Sony將這些經驗和技術成功用于新型成像器件CMOS的開發。傳統CMOS的缺點得到了大大的改善甚至全面解決。同時Sony把它在視頻信號處理方面的經驗與技術用于CMOS成像器，成功開發了充分利用CMOS優勢的視頻信號處理算法。結合Sony強大的視頻信號處理技術的支持，Sony CMOS成像器的優勢大大增強。最終研制成了無論圖像質量還是各種性能都能完全勝任專業攝像機要求的CMOS成像器。開創了CMOS應用于專業攝像機的新時代。

Sony ClearVid CMOS技術
Sony除了在不斷開發研究更高端的CCD外，還一直大力發展CMOS技術。ClearVid CMOS技術是Sony CMOS技術的重要研究成果，也是Sony多年來對CMOS技術的研究結晶。ClearVid CMOS技術的研發成功使CMOS能夠真正地應用在專業攝像機領域。
Clearvid CMOS技術包括兩個要點。
第一，它通過將每個像素旋轉45°，增大每個像素的感光面積，提高靈敏度。

第二，通過Sony增強型處理器EIP(Enhanced Image Processor TM)執行內插運算算法，提高成像器解析度。我們知道CMOS傳感器的每個象素由四個晶體管與一個感光二極管構成，通過內插運算算法，四周的4個感光二極管(像素)運算生成一個新的像素(如下圖)。大大提高了CMOS成像器的解析度。