CCD和CMOS的区别

CCD和CMOS的区别

CCD目前的技术比较成熟，在尺寸方面也具有一定的优势（由于工艺方面的原因CMOS的尺寸无法做的很大），但其工艺复杂、成本高、耗电量大、像素提升难度大等问题也是不可否认的。而CMOS由于制造工艺简单，因此可以在普通半导体生产线上进行生产，其制造成本比较低廉。

CCD和CMOS各自的利弊，我们可以从技术的角度来比较两者主要存在的区别：

（a）信息读取方式不同

CCD传感器存储的电荷信息需在同步信号控制下一位一位的实施转移后读取，电荷信息转移和读取输出需要有时钟控制电路和三组不同的电源相配合，整个电路较为复杂。C MOS传感器经光电转换后直接产生电流（或电压）信号，信号读取十分简单。

（b）速度有所差别

CCD传感器需在同步时钟的控制下以行为单位一位一位的输出信息，速度较慢；而C MOS传感器采集光信号的同时就可以取出电信号，还能同时处理各单元的图象信息，速度比CCD快很多。

（c）电源及耗电量

CCD传感器电荷耦合器大多需要三组电源供电，耗电量较大；CMOS传感器只需使用一个电源，耗电量非常小，仅为CCD电荷耦合器的1/8到1/10，CMOS光电传感器在节能方面具有很大优势。

（d）成像质量

CCD传感器制作技术起步较早，技术相对成熟，采用PN结合二氧化硅隔离层隔离噪声，成像质量相对CMOS传感器有一定优势。由于CMOS传感器集成度高，光电传感元件与电路之间距离很近，相互之间的光、电、磁干扰较为严重，噪声对图象质量影响很大。CCD与CMOS两种传感器在“内部结构”和“外部结构”上都是不同的。

内部结构（传感器本身的结构）

CCD的成像点为X－Y纵横矩阵排列，每个成像点由一个光电二极管和其控制的一个邻近电荷存储区组成。光电二极管将光线（光量子）转换为电荷（电子），聚集的电子数量与光线的强度成正比。在读取这些电荷时，各行数据被移动到垂直电荷传输方向的缓存器中。每行的电荷信息被连续读出，再通过电荷/电压转换器和放大器传感。这种构造产生的图像具有低噪音、高性能的特点。但是生产CC D需采用时钟信号、偏压技术，因此整个构造复杂，增大了耗电量，也增加了成本。

数码相机成像过程

CMOS传感器周围的电子器件，如数字逻辑电路、时钟驱动器以及模/数转换器等，可在同一加工程序中得以集成。CMOS传感器的构造如同一个存储器，每个成像点包含一个光电二极管、一个电荷/电压转换单元、一个重新设置和选择晶体管，以及一个放大器，覆盖在整个传感器上的是金属互连器（计时应用和读取信号）以及纵向排列的输出信号互连器，它可以通过简单的X－Y寻址技术读取信号。

外部结构（传感器在产品上的应用结构）

CCD电荷耦合器仅能输出模拟电信号，输出的电信号还需经后续地址译码器、模数转换器、图像信号处理器处理，并且还须提供三组不同电压的电源和同步时钟控制电路，集成度非常低。由CCD电荷耦合器构成的数码相机通常有六个芯片，有的多达八片，最少的

也有三片，使CCD电荷耦合器制作的数码相机成本较高。

CMOS光电传感器的加工采用半导体厂家生产集成电路的流程，可以将数码相机的所有部件集成到一块芯片上，如光敏元件、图像信号放大器、信号读取电路、模数转换器、图像信号处理器及控制器等，都可集成到一块芯片上，还具有附加DRAM的优点。只需要一

个芯片就可以实现数码相机的所有功能，因此采用CMOS芯片的光电图像转换系统的整体成本很低。

________________________________________

CCD CMOS

全称电荷耦合装置

Charge Coupled Device 互补金属氧化物半导体

Complementary Metal Oxide Semiconductor

价格高低

噪声（照片暗部的不规则杂点）低较高

耗电量高低

影响锐利度高一般

动态范围高一般

发展趋势技术较为成熟生产厂家众多，技术不断有突破性进展。

其实，CCD也有两种：全帧(full frame)的和隔行(interline)的。这两种CCD的性能区别非常大。

总的来说，全帧的CCD性能最好。其次是隔行的CCD。CMOS的综合性能最差。full fram e CCD最突出的优势是分辨率和动态范围。最弱的地方就是贵，耗电。

CMOS最差的地方是分辨率，动态范围和噪声。优势就是便宜，省电。

interline CCD比CMOS强的地方在于噪声。

总的来说，两种CCD的颜色还原都比CMOS强。

现在一般的消费级数码相机，在宣传上都不说是Full frame CCD还是Interline CCD。当然多数都是后者。专业级的数码相机，肯定是前者。所以，Full frame CCD 和Interline CCD 间的区别，都存在于专业级数码相机和消费级机之间。当然，专业级数码相机彩用的大面积CCD带来的好处更突出。

数码相机与传统照相机相比的最大区别，在于数码相机用半导体芯片取代了传统摄影用胶卷，并实现了数字化的影像存储，因而成像芯片对数码相机拍摄质量的影像，就像胶卷对传统摄影拍摄质量的影响一样，举足轻重。传统摄影选择胶卷有着很大的灵活性，发现某种牌号的胶卷质量不理想，可以另购其它牌号的，完全可“朝三暮四”，而成像芯片与数码相机构成一个密不可分的整体，是“从一而终”，一经选定某种型号的数码相机，成像芯片随之确定而无法更换。因此，我们必须对数码相机的成像芯片给以足够的关注，既要关注它的类型，又要关注它的分辨率、尺寸、像元尺寸和制作质量。

成像芯片的种类及质量

成像芯片的作用，是将数码相机镜头成在它上面的像转换为电荷输出。目前数码相机用成像芯片分为CCD和CMOS两类。用CCD作成像芯片的数码相机已为人们所熟悉，因为全世界数码相机型号的95％以上，我国市场销售数码相机的100％，都是使用CCD作成像芯片的。与CMOS相比，CCD问世较早，具有制作水平高、生产规模大、成像质量高（尤其

是噪声水平低）、技术成熟的特点。

CMOS是互补金属氧化物半导体器件，它的光电转换功能与CCD相似，区别主要在于光电转换后信息传送的方式不同。CMOS具有信息读取方式简单、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，是未来数码相机理想的成像芯片，但要达到CCD芯片的成像质量，仍有漫长的路要走，因而目前选购CCD芯片数码相机是明智之举。

CCD芯片又分为线型和面型两大类。线型CCD芯片的最大特点是分辨率很高，可拍摄得到1000万以上像素水平影像的数码相机，都采用线型CCD芯片的。目前线型CCD数码相机最高可拍摄得到的像素水平高达1．3亿。遗憾的是线型CCD数码相机是扫描型的，曝光方式与平台扫描仪相似，曝光时间特别长，无法拍摄动态物体，更不能进行闪光拍摄。

采用面型CCD芯片的数码相机的最大特点是可瞬间曝光，应用灵活性大，国内市场上所见到的轻便数码相机和单反数码相机，都采用面型CCD芯片，目前最高像素水平为600万。

成像芯片的分辨率

成像芯片的分辨率是数码相机最重要的性能指标，通常用像素数表示，意味着数码相机将镜头成在CCD芯片上面的像以多少个“点”加以记录。这已为越来越多的人所认识，只是还必须注意以下三方面的区别：

1．CCD芯片分辨率与拍摄分辨率之间的区别。CCD芯片分辨率是指芯片上所具有的CCD 像元数；拍摄分辨率是指拍摄时实际参与成像的CCD像元数。由于数码相机将CCD芯片上的部分CCD像元用于测光、自动聚焦和自动调整白平衡等方面，使得拍摄分辨率总是小于CCD芯片分辨率。选购数码相机既要看CCD芯片分辨率，更要看可最大拍摄分辨率。

2．拍摄分辨率与插值分辨率之间的区别。拍摄分辨率是拍摄时实际参与成像的CCD像元数；插值分辨率是用软件插值的方法产生得到的，比CCD芯片上实际参与成像的像元数更多像素的分辨率。插值后的像素水平是更高了，甚至于成倍提高，但插值将导致影像反差的降低，成像锐度的下降，因此要分清插值分辨率与拍摄分辨率。

3．线型CCD芯片与面型CCD芯片分辨率的含义有区别。在采用线型CCD芯片的数码相机上，由三个像元产生一个影像像素；而面型CCD芯片在每一个像元的基础之上都要产生一个像素（将具体像元的信息与周围像元的信息综合得到）。因而线型CCD数码相机上除了标有正常的分辨率外，还标有相当于面型CCD数码相机的分辨率，即三倍的数值。如目前最高拍摄分辨率为1．3亿像素水平的数码相机，还标有相当于3．9亿像素水平。购用数码相机，并非像素水平越高越好，多高像素水平的数码相机合适，完全取决于我们的实际应用。比如，家庭购用数码相机，分辨率一般达到1500×1000就可以了，这种像素水平数码相机拍摄所制作的7、8英寸的照片，有着完全令人满意的分辨率；用于拍摄网页图像的数码相机，分辨率有1028×768的影像水平就足够，当然，拍摄网页用图像可以用更价廉的网络照相机（WebCam ）；摄制多媒体课件用图像，数码相机的分辨率与投影机的分辨率相当即可。目前学校中用投影机的分辨率多在800×600、102 4×768的像素水平上；婚纱摄影、广告摄影用于摄制大幅面照片的数码相机，像素水平至少在600万以上。购数码相机后要用于不同的方面，则应按其中高分辨率的应用要求，确定选购数码相机的像素水平。

成像芯片的尺寸

数码相机CCD芯片的尺寸，人们很少关心，甚至于一些轻便数码相机的性能介绍上也没有标明CCD芯片的大小，而随着数码相机像素水平的不断提高，CCD芯片的尺寸指标显得越发重要。

无论是摄像机还是数码相机，只要是面向大众而不是按专业使用设计的，都倾向于使用小尺寸的面型CCD芯片。这一方面是为了降低C CD芯片制作成本，因为CCD芯片的面积越大，制作成品率越低，生产成本陡增；另一方面是使设备小型化、轻量化的需要，因为只有CCD芯片尺寸小，镜头、机身的尺寸才可以随之减小。在轻便和单反数码相机中所有的C CD芯片，最小尺寸是卡西欧QV－10、Q V－30上使用的仅有约2．4mm×1．8mm大小；最大尺寸是柯达、佳能单反数码相机EOSDCS1、EOSD6000、DC S460、DCS560、DCS66 0上使用的高达27．6mm×18．4mm，最大的与最小的CCD芯片成像面积相差上百倍。CCD芯片的制作水平近十几年来每年都会发生突飞猛进的发展，尤其表现在CCD芯片中单个像元的尺寸上。早期的技术无法将CCD 芯片中的单个像元做得很小，1mm长度上只能制作几十个像元，即单个像元的大小在几十微米。而现在1mm长度上最多可制作200 多个像元，像元的大小已小到几微米。降低制作成本的需要与制作技术的发展，使得像素水平不断上升的轻便数码相机，仍采用小尺寸的CCD芯片，如像素水平为640×480的奥林巴斯C －400、C－420L等许多数码相机，采用的是尺寸为1／3英寸的CCD 芯片；像素水平为1 280×960的卡西欧QV－5000SX轻便数码相机，仍采用1／3英寸的CCD芯片。高像素水平的数码相机采用小尺寸的CCD芯片，对数码相机镜头的分辨率提出了更高的要求，因为数码相机镜头的分辨率应该达到的水平，与CCD芯片单位长度内像元数有关，即数码照相机镜头应该具有的分辨率≥CCD芯片的成像区横向像元数／CCD芯片

成像区横向尺寸

很显然，在芯片像元数一定的情况下，CCD芯片成像区域越小，要求镜头的分辨率越高。如镜头分辨率不能随之升高，就不能发挥每个像元的作用。目前芯片尺寸小而镜头的分辨率又低，是轻便数码相机存在的共性问题，在选购高像素轻便数码相机时，必须综合考虑CCD芯片的像素水平、CCD芯片的尺寸和镜头可能达到的分辨率水平。

由于CCD芯片制作成本随尺寸呈几何级数上升，因而不同档次数码相机即使分辨率相同，其CCD芯片尺寸也可能不同，通常是档次越低的数码相机，所用CCD芯片的尺寸越小。CCD影像感应器目前已大部份被使用在数码相机上，而近年来CMOS感应器也逐渐开始出现在数码相机的市场当中，CMOS的诞生具备了许多CCD所没有的一些优势，例如：省电、高集成度、成本更低等等。因此就未来影像感应技术的发展来看，数码相机的影像感应器市场将会是CCD与CMOS的兵家必争之地，未来低于4000元的数码相机的影像感应器相信将会由CMOS胜出，而高于这一价格的数码相机市场将会出现由CCD与CMOS共同领导的新局面。

从工作原理上讲，这两种影像感应器都是将光讯号转变成电信号而进行輸出，而这一转换也是在每一个像素中所完成。所以要了解影像感应器的原理之前，我们必须先要了解像素的定义和原理。影像感应器制造商对像素的定义是：在影像感应器上将光讯号转变成电信号的基本工作单位。比如，一台数码相机标称使用一枚1280 x 960的影像感应器，那么它就会有1,228,800个像素，而这是完全不同于传统电视与电脑显示器制造商所使用的像素定义的。

像素的原理

电子显微镜下的CCD表面

像素是影像感应器的基本单位，以CMOS感应器的像素为例，它包含了一个光电二极管，

用以产生与入射光成比例的电荷，同时它也包含了其他一些电子元件，以提供缓存转换和复位功能。当每个像素上的电容所积累的电荷达到的一定数量并被传送给信号放大器再通过数模转换之后，所拍摄影像的原始信号才得以真正成形，而具有全部这些功能的器件才能称为是一个真正的影像感应器。

CMOS产品图片

信噪比

影像感应器的信噪比可以用分贝（噪声单位）表示，当信号到达一定强度时，信噪比并不会等比例增加，但是，如果要让低伏值*的讯号可以被检测出来，那么信噪比就变得非常重要。

信噪比的基本定义为：在有效输出范围内，真值信号强度与噪声强度的比值。当真值信号被噪声所埋没后，后方将无法有效地从前方输出中提取信息。

*在常规的信号检测中，电压被做为可参考的主要依据，同样对于影像感应器来说，每个像素输出的电压高低便作为后方信号处理的实际依据。

色彩灵敏度失衡

彩色影像感应器对不同波长的入射光有不同的灵敏度，而这将会造成拍摄影像时的的色彩失衡。当然，色彩失衡可以用后续的数字化处理得到补偿，但这也有可能放大在经过模/数转换后的噪声。现在的技术可以解决色彩敏感度失衡的问题，然后再将讯号送到模/数转换器进行数字量化，最后再运用色差增益或放大技术进行处理。

暗电流是在没有入射光时光电二极管所释放的电流量，理想的影像感应器其暗电流应该是零，但是，实际状况是每个像素中的光电二极管同时又充当了电容，当电容器慢慢地释放电荷时，就算没有入射光，暗电流的电压也会与低亮度入射光的输出电压相当。因此，在这些时候我们还是能从显示器上看到部分“影像”，大部分情况下这都是因为从暗电流中所累积的电荷释放造成的。所以，暗电流是影响画质的噪声之一，CCD与CMOS感应器的暗电流范围为0.075－2.0纳安/平方厘米左右。实际上因为CCD与CMOS在图像采集方面的本质区别，在暗电流的形成上差别还是比较大的。但是由于双方在后台处理上的不同，暗电流的影响已经消除了大半，因此在最终得到的实际影像上的差别还不是非常明显的。

像素的大小

影像感应器能否捕捉到低亮度的影像将取决于每个像素的采光区域的大小，较大的像素将使影像感应器捕捉到更多的光子，如此便能提高像素的动态范围。但是，更大的像素也就需要较多的硅芯片，这也在无形当中加高了生产成本，因此决定最佳化的影像感应器组件大小将由设定采光区域的大小、低亮度的敏感性，以及所期望获得的实际影像质量来共同决定。

Crystal 通光晶片

IR absorption glass 红外截止玻璃

CMOS sensor CMOS影像感应器

Low-pass filter 低通滤波器

Dichroic mirror 双色性反射镜

佳能EOS D60结构示意图及CMOS感应器结构图

CMOS影像感应器技术

CMOS影像感应器大约是在80年代初发明出来的，只是当时CMOS设计制作技术不高，以致于感应器的噪声大，想要商品化并不容易。时至今日，CMOS感应器的应用范围已经非常广泛，包括数码相机、电脑摄像头、可视电话、第三代手机、智能型安全系统、汽车倒车雷达、玩具，以及工业、医疗等多种用途。由于使用范围广泛，这也非常有利于CM OS产品的普及。CMOS不但体积小，耗电量也不到CCD的1/10，售价也比CCD便宜近1/ 3，画质已接近低端分辨率的CCD，国内相关生产企业早已开始使用CMOS来替代传统的CCD感应器。

CMOS影像感应器目前主要用以数码相机、摄像头等产品，在130万像素以下的CMOS

品质已相当接近CCD感应器，而且体积比CCD更小。尤其是电脑摄像头在动态影像的撷取方面，对影像品质要求不比静态的数码相机高，48万像素的画质就可以被用户所接受，目前生产企业采用CMOS的比例已开始大大增加。

虽然CMOS影像感应器真正的快速发展只有2、3年时间，虽然在品质上仍难与CCD

媲美，但是相信在不久的将来CMOS终会取代CCD成为主流，而这只不过是时间的问题。CMOS要想成为市场主流必须克服的最大的问题就是成像品质。就目前的效果而言，较高像素的CMOS感应器已经面临到感光度、信噪比不足等多项问题，影像品质无法与同级C CD感应器相比。以目前的条件来看，CMOS感应器要普遍应用在340万像素以上的数码相机市场，时机尚未成熟。但是，影像感应器市场应用范围很广，涵盖消费、商业、工业等多种领域，根据市场供求量的计算，在未来三年的发展中，CMOS感应器每年的累计增长率都将超过25%。