数码相机的另一个灵魂CMOS传感器


     随着去年Canon(佳能)公司发布其型号为EOS D30的专业级数码相机后，人们对CMOS影像传感器的注意力猛然巨增。这是因为，CMOS影像传感器过去有着信噪比小、分辨率低的缺点，专业人士一直认为它无法和CCD技术抗衡。所以当佳能推出以CMOS为感光元件的EOS D30数码相机时，许多业内人士都大吃一惊，对采用这种廉价的材料来做感光元件感到不可思议，认为CMOS的成像质量无法满足有较高要求的专业用户的需要。那么用CMOS做的感光元件在成像质量上真的一无是处吗？还是让我们先来了解一下什么是CMOS吧！



     技术篇



     CMOS即互补性金属氧化物半导体（如图1）。其在微处理器、闪存和特定用途集成电路(ASIC)的半导体技术上占有绝对重要的地位。CMOS和CCD都是可用来感受光线变化的半导体。CMOS主要是利用“硅”和“锗”这两种元素所做成的半导体，通过CMOS上带负电和带正电的晶体管来实现基本的功能。这两个互补效应所产生的电流即可被处理芯片记录和解读成影像。 

 

     图1 CMOS感光芯片
     CMOS针对CCD最主要的优势就是非常省电。它不像由二极管组成的CCD，CMOS 电路几乎没有静态电量消耗，只有在电路接通时才有电量的消耗。这就使得CMOS的耗电量只有普通CCD的1/3左右，这有助于改善人们心目中数码相机是“电老虎”的不良印象。 

 

     图2
     CMOS主要问题是在处理快速变化的影像时，由于电流变化过于频繁而过热。暗电流抑制得好问题就不大，如果抑制得不好就十分容易出现杂点。
     此外，CMOS与CCD的图像数据扫描方法有很大的差别。举个例子，如果分辨率为300万像素，那么CCD传感器可连续扫描300万个电荷。扫描的方法非常简单，就好像把水桶从一个人传给另一个人，直到最后一个人才把所有的水都集中到一起。所以，扫描也只有在扫描完最后一个数据之后才能将信号放大。CMOS传感器的每个像素都有一个将电荷转化为电子信号的放大器，因此，CMOS传感器可以在每个像素基础上进行信号放大。采用这种方法可节省任何无效的传输操作，所以只需少量能量消耗就可以进行快速数据扫描，同时噪音也有所降低。这就是佳能的像素内电荷完全转送技术（如图2）。



     应用篇



     1、专业级数码相机
     目前在专业级数码单镜头反光机身上使用CMOS作为影像传感器的只有为数不多的几款产品，如Canon(佳能) EOS D30等，见如图3。
     我们知道在佳能EOS系列AF相机上，CMOS一直在测光对焦系统中使用。佳能在这方面有雄厚的技术力量和丰富的经验。发展到今日已经比较容易地以较低的成本制造较大尺寸的CMOS感光芯片，并且CMOS可以将影像处理电路集成在芯片上。D30有专门的回路控制暗电流 ，在长于1秒的曝光时降噪系统会自动工作，可以从很大程度上降低噪点的产生。我们查看了大量由Canon EOS D30所拍摄的照片，发现CMOS的成像效果并不比传统CCD差。 

 

     图3 Canon EOS D30
     由此，我们似乎已看到CMOS在未来的数码相机发展上将占有重要的一席之地，也会有越来越多的专业数码相机考虑采用CMOS感光元件。
     2、普通级数码相机 

 

     图4 Kodak MC3
     目前CMOS传感器除了在Canon EOS D30上使用外，基本都是应用在普通民用型数码相机上，如Kodak(柯达)公司的MC3（见图4）采用的就是CMOS感光芯片，其最大分辨率为640×480像素；同时它还可以作为一台网络摄像头来使用；再有，它更可以作为一部MP3随身听；它的容量介质为CF卡，这可以使用户根据不同的需要来自由更换不同容量的CF卡；而且它提供了USB接口与电脑进行相连，大大提高了连接速度；最重要的是它不仅功能多样化，而且价格也十分接近普通的家庭用户。所以我们有理由相信，采用CMOS感光器的家用数码相机会逐渐增多，它使数码相机更快地进入家庭成为可能。
     3、摄像头
     CMOS也适用于对影像品质要求不是很严格的摄像头产品，它的优点是制造成本较CCD更低，功耗也低得多，而且速度快。这也是市场上很多采用USB接口的产品无需外接电源且价格便宜的原因。尽管在技术上有较大的不同，但CCD和CMOS两者性能差距不是很大，只是CMOS摄像头对光源的要求会高一些，而大多数数字摄像头都采用了CCD传感器。从技术上讲，CMOS还无法达到CCD那样高的分辨率，但对640×480分辨率的摄像头来说，CMOS已足以应付。



     展望篇



     CMOS这种能耗低、制造相对容易的感光芯片如果能在影像的锐利度、动态范围等方面再做进一步的努力，相信CMOS便是未来数码相机的另一个发展方向。据悉1999年时CMOS的销售额首次突破10亿美元，而且到2004年每年将以75%的速度增长。
     此外CMOS传感器提高动态范围的消息也不断传来。也许在不久的将来，使用在大部分中低档相机上的图像传感器将全部从CCD转换成CMOS。而日本开发CMOS图像传感器的LSI厂商大都认为“CMOS图像传感器的市场将会急剧扩大，但是至少在目前，在实际使用的设备上，CCD图像传感器同CMOS图像传感器分庭抗礼的时代还会延续下去”。