CCD和CMOS图像传感器有什么区别?


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我一直在阅读有关CCD和CMOS图像传感器的文章。这两种类型有什么区别?这些传感器在摄影方面到底做了什么?

基于CCD的相机将来是否可以竞争?如果我购买一个,我可以指望使用几年,还是升级到带有基于CMOS传感器的相机会更好呢?


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您可能已经注意到,自撰写此问题以来的几年中,CMOS传感器已完全占领了市场。我从来没有见过CCD传感器。
Mark Ransom

Answers:


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两种技术具有相同的目的:对每个像素进行采样和记录多少光。他们只是为实现该目标而不同地工作。CCD上的像素不包含有源电路,只有一个小的“电容箱”,它会被动存储电荷,直到可以将其移动到下一个箱中,最后离开传感器,然后由电路读取。CMOS传感器基本上是大型集成电路上的传感器,它包括一个小的有源电路,每个像素内均包含晶体管,因此每个像素都能够主动测量和维持撞击到其上的电荷,而不仅仅是被动地保持电荷直到转移阅读。

两者都有优点和缺点-一些最重要的方面涉及视频模式(或实时取景模式)。

  • 垂直条纹

    在实时取景或视频模式下,CCD传感器表现出垂直条纹,在该条纹中,框架中的亮点,即使在边缘,也可以从框架的顶部到底部创建垂直的亮线。这是由于单个像素的电流“溢出”并在整行中泄漏引起的。请注意,使用CCD传感器的专业摄像机(花费数千美元)具有将其最小化的电路。同样,当用于静止图像(即不在实时取景/视频模式下)时,CCD可以在不易出现垂直条纹的不同模式下运行。

    CMOS传感器根本不会出现条纹,因为每个像素都有自己的与其他像素隔离的电路。

  • 卷帘

    CMOS传感器在实时取景或视频模式下,或者在不使用物理机械快门的任何时候都具有滚动快门效果。而不是一次捕获整个帧,而是从帧的每一行中依次读取信息。相机之间的时间有所不同,但是对于完整的传感器读数(在全分辨率下),典型的持续时间为1/30秒或1/60秒。当使用电子快门(用于完全静音操作)时,当手持或移动照相机时,这会在录制的视频中产生类似果冻般的摆动效果。

    专门设计用于允许高帧率视频捕获(例如120fps或更高)的CMOS传感器将显示较少的滚动快门效果。此外,以低于全分辨率的分辨率运行传感器(例如,在传感器上记录1080p而不是4K)可以将传感器切换到更快的读出模式,因此滚动快门效果较小。

    CCD不会受到卷帘快门的影响。

  • 噪音/质量一般

    虽然CMOS在质量上曾经要取舍,但现在可以忽略不计,甚至可能已经逆转了。当然,对于大型传感器(DX,4/3,FF),除了传感器设计的个体差异外,没有任何实际差异。CMOS技术发展迅速,图像质量不断提高,尤其是在小型传感器(例如智能手机中使用的传感器)中。

    对于小型传感器(例如,紧凑型相机和智能手机中的传感器)来说,CMOS传感器的灵敏度较差,这是由于像素相对于其上的电路尺寸而言很小。但是,对制造工艺的改进以及称为“背面照明”(BSI)的新技术已经解决了这一问题。

如今,专业静态相机越来越多地使用CMOS传感器,并且您在其中找到的CMOS传感器的性能至少与CCD表亲相同。碰巧的是,CMOS技术目前正在快速发展,而当今许多最好的传感器都是CMOS。除非拍摄视频,否则没有理由根据相机是CCD还是CMOS传感器来选择相机。


快门效果对于静态摄影和数码摄影都很重要。例如,它可以使旋转的对象(例如螺旋桨)看起来是弯曲的,甚至是不相交的。
Toby Speight

确实,这与现在出现在相机上的全电子快门选项特别相关。我正在考虑将其编辑为答案。
thomasrutter

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不必担心传感器技术,这可能是决定设备组时要考虑的最不重要的事情。这就像在思考柯达或富士黑白胶片是否“最佳”,而没有考虑要使用的相机,要使用的镜头或摄影师的技能。

考虑玻璃而不是传感器。


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CCD可以具有“电子快门”;在机械快门关闭之前,可以通过电子方式“关闭”它们。

使用此功能,可以实现更高的闪光灯同步速度。例如,尼康D70s及其电子快门的CCD可以1 / 500s同步。

CMOS传感器通常无法做到这一点,因此仅限于机械快门可以关闭的速度。例如,尼康D90的最大闪光同步速度为1 / 250s。


这是我使用1D的优势之一。在使用频闪灯拍摄时能够切断额外的环境光,这可能意味着是否有重影。
格雷格,

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不在主题范围之内,但是当小于全尺寸的快门开口穿过框架时,不是通过选通闪光灯使传感器完全照亮来实现快速同步吗?
smigol

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@smigol这确实是快速同步的工作原理,但是在闪光灯与环境光之比方面效率降低
伊姆雷(Imre)

仅供参考,自写出这个答案以来的几年中,尽管具有相对较低的数量,但许多带有全球电子快门的CMOS传感器已经投放市场。电子第一百叶窗在某种程度上更常见。
dgatwood

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两种系统的工作原理相同。

光使硅中的电子“四处晃动”,而硅的蚀刻方式则使这些电子向同一方向移动。此过程与太阳能电池板中的过程相同。

当从传感器“读取”图像时,每个像素都有一个使用模拟>数字(AD)转换器测量的电荷(这发生的方式在两者之间是不同的),并且这些值代表构成图像的光水平。

分离CCD和CMOS的是材料和结构不同。这对它们在摄影中的实际使用方式具有连锁效应。CMOS传感器几乎可以在任何需要CCD的量产芯片上进行烘焙,而CCD需要定制的VLSI工艺,该工艺只能制造CCD芯片。

两种系统都有其特质,使它们在纸上更具优势。除了某些特定的任务(例如,航空摄影),很难说当前任何一个实际上都比另一个更好。CMOS传感器更便宜/更容易生产,更容易从芯片制造的其他进步中受益,允许并行发生读数并使用较少的功率。CCD将更多的区域留给光敏石使用,并具有更好的噪声特性,但必须逐行读取,这会减慢处理速度。当前,芯片的进步意味着CMOS在当今的照相技术中具有优势,并且暂时可能如此。


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CMOS和CCD之间存在更多差异。CMOS传感器比CCD传感器便宜得多。
生产CMOS传感器,然后生产困难的CCD传感器要便宜很多。
CMOS传感器比CCD传感器消耗的功率少,这对您的电池寿命和过热都有好处。
此外,您可以在单个CMOS芯片中集成更多功能,这使制造商可以减少相机中的芯片数量。例如,可以将图像捕获和处理集成在一个芯片中,从而降低了成本。

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