浅谈CCD与Sony CMOS

我们都知道成像器件是摄像机、数码照相机的关键部分，其主要任务就是实现光－电转换――将镜头捕捉的光信号转换成电信号进行处理。目前有两种成像器件；CCD和CMOS。CCD(Charge CoupledDevice，电子耦合器件)在上个世纪70年代初开发成功，在80年代初期就被应用于摄像机，现已被广泛应用于摄像机和数码照相机中。

其实CMOS即“互补金属氧化物半导体”，英文全称为Complementary Meta(Oxide Semiconductor)并不是一种刚刚起步的新技术，从上个世纪90年代起，人们就已经开始对它进行广泛的研究了。那时的人们就已发现CMOS的一些特有优点，并逐渐开发利用这些优点，并将之广泛地应用于手机、PDA、单反相机等。

CMOS最早是用在计算机CPU和内存上的，是主板上一块可读写的存储芯片，用于存储计算机系统的时钟信息和硬件配置信息等。随着CMOS技术的发展，CMOS也逐渐应用到摄像机系统中作为成像器，也就是CMOS成像器。由于cM0s成像器采用一般半导体电路最常用的CMOS工艺，可以轻易地将周边电路(如AGC、CDS、Timing generator或DSP等)集成到传感器芯片中，从而继承了CMOS低功耗、小型化的特点，因而非常适用于小型的手持式摄像机。

那么，CMOS与CCD相比有哪些优缺点呢?在说Sony CMOS技术之前，首先我们将传统CMOS与CCD做一简单的比较。

传统CMOS的主要优点

信号读出速率高

由于大部分信号处理电路可与CMOS在同一片芯片上制作，信号机驱动传输距离缩短，电感、电容及寄生延迟降低，且信号读出采用X-Y寻址方式，因而CMOS图像传感器工作速率要优于CCD。CCD信号读出速率通常不超过70M pixels/s，而CMOS可达1000M pixels/s，因此CMOS更容易实现高质量的平稳慢动作记录，以及方便对焦的无损数字图像扩展(Expand)等，而这些功能在Sony HVR-V1C摄像机中都有体现。

无垂直拖尾

垂直拖尾是指当拍摄高亮度发光物体如照明灯、太阳时，画面上会出现一条垂直的亮带。这是因为在CCD成像器上，当光照产生的电信号超过了二极管(垂直存储器)的容量时，二极管(垂直存储器)电荷会发生溢出，从而产生垂直拖尾现象。而CMOS由于其特殊的成像结构，这种现象不会出现。

低功耗

简单地讲，CCD需要很多驱动电压(-7.5V到1.5V)来驱动电荷转移，而这种电荷转移需要消耗大量电能。而CMOS由于采用了传统CMOS的大规模集成电路工艺，只需一个电源即可驱动，因而CMOS的耗电量仅为CCD的1/8到1/10。

集成程度高

由于CMOS成像器采用一般CMOS大规模集成电路工艺，所以能够很轻易地将其他功能芯片一起整合到CMOS芯片上。比如说在一块芯片上可同时实现视频信号处理和静止图片信号处理，而这在CCD上是难以实现的。同时大规模集成电路的生产也降低了成本。集成程度高的特点使得CMOS更适合于低功耗的小型手持式摄像机。

传统CMOS的主要缺点

固定模式噪点

由于CMOS的每个感光二极管都需搭配一个放大器，而当像素数以百万计时，就需要百万个以上的放大器，而放大器属于模拟电路，并且很难让每个放大器所得到的结果都保持一致。因此与只有一个放大器放在芯片边缘的CCD成像器相比，CMOS传感器的噪点就会增加很多，从而大大影响了图像品质。同时由于CMOS传感器集成度高，且各光电传感元件、电路之间距离很近，所以相互之间的光、电、磁干扰较严重。

CMOS产生的典型噪点就是固定模式噪点，这就是人们一直说CMOS的图像质量比CCD差的主要原因。可以这样说，是CMOS成像器的固定模式噪点的缺陷制约了CMOS一直只能在小尺寸、低价格，且对摄像质量无过高要求的场合(如监控、视频会议、手机、PC等)应用，而难以应用在高图像质量摄像机中。近几年，随着CMOS电路消噪技术、数字信号处理技术的不断发展，CMOS在这方面的性能已经与CCD相差无几了。

拍摄快速运动图像时图像变歪

CCD在光照的同时就能将信号存储起来，然后从垂直存储区读出一帧帧画面信号，配合着电子快门的使用，这样的机制可以很好地捕捉到快速运动物体的每一帧画面。而CMOS的扫描是基于行的，因而扫描每个像素的时间都各不相同，因而在拍快速运动物体时会出现倾斜。图像的倾斜程度与运动物体的速度和记录帧率有关的，当记录帧率足够高时，这样的现象就不会被察觉。此外，使用机械快门也能够有效地减轻图像倾斜。

灵敏度较低

灵敏度代表传感器的光敏单元收集光子产生电荷信号的能力。相同尺寸情况下，CCD的灵敏度要比传统CMOS要高。这主要是因为CCD像元耗尽区深度可达10mm，具有从可见光到近红外光谱段的完全收集能力。CMOS采用0.18～0.5mm标准CMOS工艺由于采用的电阻率硅片须保持地工作电压，像元耗尽区只有1～2mm，其吸收截至波长小于650mm，因而很难吸收红光及近红外光。

传统CMOS虽然有许多特有优点，但其在图像质量上的缺点使CMOS一直难以用在对摄像质量要求较高的专业摄像机上。随着CMOS技术的发展，特别是最近几年，CMOS的图像质量已经得到了大幅度的改善，在某些方面已经接近甚至超过了CCD。其中，以Sony的CMOS研究与开发最为成功。

Sony CMOS技术

Sony有着多年的CCD开发经验，拥有领先世界的CCD制造技术。近几年Sony将这些经验和技术成功用于新型成像器件CMOS的开发，不仅大大改善了传统CMOS的缺点。而且Sony进一步把它在视频信号处理方面的经验与技术用于CMOS成像器，成功开发了充分利用CMOS优势的视频信号处理算法。结合Sony强大的视频信号处理技术的支持，Sony CMOS成像器的优势大大增强，最终研制成了无论图像质量还是各种性能都能完全胜任专业摄像机要求的CMOS成像器，开创了CMOS应用于专业摄像机的新时代。

Sony Clear Vid CMOS技术

ClearVid CMOS技术是Sony CMOS技术的重要研究成果，也是Sony多年来对CMOS技术的研究结晶，ClearVid CMOS技术的研发成功使CMOS能够真正地应用在专业摄像机领域。

Clearvid CMOS技术包括两个要点。

第一，它通过将每个像素旋转45度，增大每个像素的感光面积，提高灵敏度。

第二，通过Sony增强型处理器EIP(Enhanced Image Processor TM)执行内插运算算法，提高成像器解析度。我们知道CMOS传感器的每个象素由4个晶体管与1个感光二极管构成，通过内插运算算法，四周的4个感光二极管(像素)运算生成一个新的像素，大大提高了CMOS成像器的解析度。

由图4可见，3个原始的像素的通过内插运算得到3个新像素点(蓝色部分)，即3=1+1+0.5+0.5，现在一共有6个像素点了，所以每3个像素通过内插运算就能得到自身两倍的像素；每行960像素内插运算后就能得到1920个像素。

由以上可以看出ClearVid CMOS将像素倾斜45度排列，使用内插运算算法的技术，大大提高了CMOS成像器的灵敏度和分辨率，从而解决了CMOS在专业领域应用的主要瓶颈。

相对于CCD成像器的发展，CMOS专业成像器是个新生事物，而新生事物一开始总是不被人们所接受。但是新生事物的优异性能必将使它迅速发展，这是一种趋势!就像液晶监视器与CRT监视器，胶片摄影机和数字摄影机一样，很多人一开始不接受液晶监视器和数字摄影机，但现在液晶监视器和数字摄影机以其诸多优势被广泛应用了。同样的道理，许多人一听到CMOS就说成像质量一定不理想，一听说25Mbps码流就认为图像质量一定比50Mpbs码流的差，其实这都是片面的，因为图像质量的好坏涉及到很多方面，我们认为最好的比较办法就是把两个机器拿到面前进行直接的图像质量对比，这样才能得出比较真实的结论。