CCD与CMOS的区别

CMOS与CCD的区别
引言随着数码相机、手机相机的兴起，图像传感器正逐渐成为半导体产品中最耀眼的明星之一，而在图像传感器中，日商所独占的CCD传感器与百家争鸣的CMOS传感器都在尽力克服自身的缺点，希望成为市场上的主流技术。

鉴于此，本文将首先简介CCD与CMOS传感器在原理方面的差异，再探讨领导厂商的技术发展蓝图，了解这些不同的图像传感器在应用市场上的发展趋势*。

图1 CCD传感器的结构图2 CMOS传感器的结构CCD与CMOS传感器技术简介
CCD与CMOS传感器是当前被普遍采用的两种图像传感器，两者都是利用感光二极管(photodiode)进行光电转换，将图像转换为数字数据，而其主要差异是数字数据传送的方式不同。

如图1所示，CCD传感器中每一行中每一个象素的电荷数据都会依次传送到下一个象素中，由最底端部分输出，再经由传感器边缘的放大器进行放大输出；而在CMOS传感器中，每个象素都会邻接一个放大器及A/D转换电路，用类似内存电路的方式将数据输出。

造成这种差异的原因在于：CCD的特殊工艺可保证数据在传送时不会失真，因此各个象素的数据可汇聚至边缘再进行放大处理；而CMOS工艺的数据在传送距离较长时会产生噪声，因此，必须先放大，再整合各个象素的数据。

由于数据传送方式不同，因此CCD与CMOS传感器在效能与应用上也有诸多差异，这些差异包括：
1. 灵敏度差异：由于CMOS传感器的每个象素由四个晶体管与一个感光二极管构成(含放大器与A/D转换电路)，使得每个象素的感光区域远小于象素本身的表面积，因此在象素尺寸相同的情况下，CMOS 传感器的灵敏度要低于CCD传感器。

2. 成本差异：由于CMOS传感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，因此可以节省外围芯片的成本；除此之外，由于CCD采用电荷传递的方式传送数据，只要其中有一个象素不能运行，就会导致一整排的数据不能传送，因此控制CCD传感器的成品率比CMOS传感器困难许多，即使有经验的厂商也很难在产品问世的半年内突破50%的水平，因此，CCD传感器的成本会高于CMOS 传感器。

3. 分辨率差异：如上所述，CMOS传感器的每个象素都比CCD
传感器复杂，其象素尺寸很难达到CCD传感器的水平，因此，当我们
比较相同尺寸的CCD与CMOS传感器时，CCD传感器的分辨率通常会优于CMOS传感器的水平。

例如，目前市面上CMOS传感器最高可达到210万象素的水平(OmniVision的OV2610，2002年6月推出)，其尺寸为1/2英寸，象素尺寸为4.25μm，但Sony在2002年12月推出了ICX452，其尺寸与OV2610相差不多(1/1.8英寸)，但分辨率却能高达513万象素，象素尺寸也只有2.78mm的水平。

4. 噪声差异：由于CMOS传感器的每个感光二极管都需搭配一个放大器，而放大器属于模拟电路，很难让每个放大器所得到的结果保持一致，因此与只有一个放大器放在芯片边缘的CCD传感器相比，CMOS传感器的噪声就会增加很多，影响图像品质。

5. 功耗差异：CMOS传感器的图像采集方式为主动式，感光二极管所产生的电荷会直接由晶体管放大输出，但CCD传感器为被动式采集，需外加电压让每个象素中的电荷移动，而此外加电压通常需要达到12~18V；因此，CCD传感器除了在电源管理电路设计上的难度更高之外(需外加 power IC)，高驱动电压更使其功耗远高于CMOS传感器的水平。

举例来说，OmniVision近期推出的OV7640(1/4英寸、VGA)，在 30 fps的速度下运行，功耗仅为40mW；而致力于低功耗CCD传感器的Sanyo公司去年推出了1/7英寸、CIF等级的产品，其功耗却仍保持在90mW以上，虽然该公司近期将推出35mW的新产品，但仍与CMOS传感器存在差距，且仍处于样品阶段。

综上所述，CCD传感器在灵敏度、分辨率、噪声控制等方面都优于CMOS传感器，而CMOS传感器则具有低成本、低功耗、以及高整合度的特点。

不过，随着CCD与CMOS传感器技术的进步，两者的差异有逐渐缩小的态势，例如，CCD传感器一直在功耗上作改进，以应用于移动通信市场(这方面的代表业者为Sanyo)；CMOS传感器则在改善分辨率与灵敏度方面的不足，以应用于更高端的图像产品，我们可以从以下各主要厂商的产品规划来看出一些端倪
主要商家产品蓝图分析
市场统计数据 (日经BP、Mizuho证券)显示，2002年Sony、Matsushita、Sharp三家日商在全球CCD传感器市场的占有率达85%，其中Sony就占了45%；另据In-Stat、Dataquest等机构统计：Agilent、OmniVision这两家厂商在CMOS传感器上的市场占有率超过60%，但由于Agilent以光学鼠标的应用为主，与相机的关系不大，所以我们将着重介绍Sony与OmniVision这两家CCD/CMOS传感器领导厂商的技术蓝图。

Sony
Sony是全球CCD传感器第一大厂，也是第一家投入12英寸晶圆、推出600万象素CCD的公司，目前，Sony约有30~40%的CCD传感器供自有品牌产品使用，其它则卖给Canon、Sanyo、Casio、以及台湾的新虹、普利尔、诠讯(与台湾佳能合并)等厂商。

Sony的产品技术蓝图显示，2003年除了800万象素的ICX 456外，并无其它微缩工艺的产品问世。

产品尺寸将大致保持现有水平，取而代之的是强化摄影功能与支持progressive scan(连续式扫描)，例如500万象素的ICX455/465、330万象素的ICX451/481、以及210万象素的ICX461等，令高端产品也能达到30fps以上的数据传送速率。

由于目前高端产品的大部分市场仍被Sony占据，再加上市场仍处于供不应求的局面，因此该公司并未急于做降低成本的动作，不过，
一旦Sony最先进的工艺(象素尺寸2.6~2.8mm)达到成熟阶段(成品率超过50%)，该公司势必近一步将此工艺应用到其它产品上(目前仍只有1/1.8英寸、500万象素产品使用此工艺)，届时可能会有1/2.7英寸、400万象素产品问世。

OmniVision
OmniVision成立于1995年(以下简称OV)，2002年6月领先其它同业率先推出210万象素的OV2610震惊市场，虽然目前采用此传感器量产的产品并不多，但这已说明CMOS传感器可以开始进入原本属于CCD传感器的中高端数码相机市场； OV的数据显示，目前已有天瀚、明、鸿友等台湾商家开始采用该公司的OV2610。

展望2003年，OV将在1季度~2季度之间推出330万象素、1/2英寸的产品，采TSMC 0.18mm工艺生产，再次拓展CMOS传感器的应用范围。

在低功耗产品方面，OV也在2002年12峦瞥隽薕V7640，可以在2.5V的环境下运行，为目前VGA产品中功耗最低的芯片。

而在2003年新规划的产品方面，OV计划在下半年推出130万象素、1/4英寸，以及VGA、1/7英寸的产品，希望在CCD厂家推出低功耗的130万素产品之前，先行抢占市场先机。

其它公司的发展计划
除了Sony与OmniVision外，其它商家在图像传感器产品方面的计划如表1所示。

其中最具特色的是Sanyo，该公司致力于改善CCD 传感器的功耗，以相机电话为主要应用目标，之前J-Phone率先推出的Sharp J-SHxx系列便是采用Sanyo的CIF级CCD传感器，Sharp、Toshiba等手机厂家也计划在02年4季度~03年1季度之间陆续引入Sanyo的VGA产品。

Matsushita、Sharp的产品规划与Sony相差不多，主要差异在于Matsushita准备推出更小的400万象素(1/2.7英寸)与130万象素(1/4英寸)产品。

图像传感器的应用趋势分析
由于数码相机与相机电话是图像传感器的主要应用对象，故以下我们将分别从这两个领域分析图像传感器的应用趋势。

数码相机
数码相机通常被划分为高端(400万象素以上)、中端(330、210万象素)与低端(百万象素以下)三部分，根据IDC、Dataquest、中国台湾资策会MIC等研究机构预测，在2003年，中端相机将占市场销售量的65%；因此，我们认为在OV陆续推出210万、330万象素的产品之后，CMOS图像传感器将在市场占有率最大的中端产品方面逐步成长，这无疑将对提高CMOS传感器的占有率发挥积极作用。

CCD传感器商家也了解这种状况，因此，为了应对CMOS传感器的挑战，2002年已有多家厂商推出500万象素以上产品，Sony计划在2003年推出800万象素的ICX 465，希望能够带动消费者升级到更高端的产品；不过，由于人眼很难分辨出400万象素与较低象素照片之间的差异，故消费者对高端产品的接受程度仍有待观察，再加上400万象素相片所占存储空间达2MB以上，而600万象素所占空间更为惊人，一张128MB的记忆卡只能存取几十张照片(相当于一卷底片的量)，因此，消费者持续往高端产品迈进的趋势可能会受到影响，而这也正是对CMOS传感器有利的一面。

但这并不表示CMOS传感器将肯定取代CCD传感器。

CMOS传感器仍有以下问题需要解决：
1.成本问题：商家所规划的技术蓝图显示，计划于2003上半年推出330万象素的CMOS传感器芯片尺寸为1/2英寸左右，但与目前市面上可见的1/2英寸CCD传感器相比，其最高分辨率可达500万象素以上；再者，目前330万象素的CCD传感器的尺寸已可缩小到1/
2.7英寸左右，理论上要推出1/
3.2英寸的330万象素CCD也不是一件难事；因此，这些高端的CMOS传感器在量产初期仍难以在成本上与CCD 传感器竞争。

2.图像品质与外围零部件的配合：根据下游商家对220万象素CMOS传感器评估的结果，目前CMOS传感器的图像品质仍与CCD有相当大的差距；除此之外，外围零部件(如镜头)是否能配合高端的CMOS 传感器推出对应产品，也是影响CMOS传感器普及的重要因素之一。

相机电话
CMOS传感器被认为是相机电话的理想解决方案，不过CCD传感器在Sanyo的大力推广下，采用frame transmission的方式来降低其功耗，反而成为目前日本相机电话的主流选择。

展望2003年，随着Sanyo推出VGA低功耗CCD传感器，相机电话仍会以CCD传感器为大宗，CMOS传感器则以外挂式的相机模块作为其主要应用；不过，2004年以后，当相机电话用CMOS传感器迈入130万象素时代时，CCD传感器能否迎头赶上还是未知数；Sanyo的数据显示，目前该公司也没有把握将百万象素以上的CCD传感器的功
耗降至手机可接受的80~100mW，因此，相机电话未来是否仍有CCD 发展的空间，目前仍难以下定论。

目前看来，许多CMOS传感器商家计划在2003年2季度之前推出百万象素级、1/4英寸的相机电话用传感器，届时CIF等级的产品更可望缩小至1/14英寸，从而大幅降低成本。

在越来越多的手机商家将相机模块导入低端手机后，CMOS传感器将有望超越CCD传感器成为市场上的主流产品。

* 本文所提及的CCD与CMOS传感器均为Array (或Area) image sensor(矩阵式图像传感器)，并不包含Linear image sensor(直线式图像传感器)。

CCD与CMOS的区别
从技术的角度比较，CCD与CMOS有如下四个方面的不同：
1.信息读取方式
CCD电荷耦合器存储的电荷信息，需在同步信号控制下一位一位地实施转移后读取，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。

CMOS光电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。

2.速度
CCD电荷耦合器需在同步时钟的控制下，以行为单位一位一位地输出信息，速度较慢；而CMOS光电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像信息，速度比CCD电荷耦合器快很多。

3.电源及耗电量
CCD电荷耦合器大多需要三组电源供电，耗电量较大；CMOS光电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。

4.成像质量
CCD电荷耦合器制作技术起步早，技术成熟，采用PN结或二氧化硅（SiO2）隔离层隔离噪声，成像质量相对CMOS光电传感器有一定优势。

由于CMOS光电传感器集成度高，各光电传感元件、电路之间距离很近，相互之间的光、电、磁干扰较严重，噪声对图像质量影响很大，使CMOS光电传感器很长一段时间无法进入实用。

近年，随着CMOS 电路消噪技术的不断发展，为生产高密度优质的CMOS图像传感器提供了良好的条件。

CCD与CMOS两种传感器在“内部结构”和“外部结构”上都是不同的：
1.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CCD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。

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、一个重新设臵和选择晶体管，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。

2.外部结构（传感器在产品上的应用结构）
CCD电荷耦合器需在同步时钟的控制下，以行为单位一位一位地输出信息，速度较慢；而CMOS光电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像信息，速度比CCD电荷耦合器快很多。

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，可以将数字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很多功能，因此采用CMOS芯片的光电图像转换系统的整体成本很低。

目前手机数码相机的核心成像部件有两种：一种是广泛使用的CCD（电荷藕合）元件；另一种是CMOS（互补金属氧化物导体）器件。

CCD：电荷藕合器件图像传感器CCD（Charge Coupled Device），它使用一种高感光度的半导体材料制成，能把光线转变成电荷，通过模数转换器芯片转换成数字信号，数字信号经过压缩以后由相机内部的闪速存储器或内臵硬盘卡保存，因而可以轻而易举地把数据传输给计算机，并借助于计算机的处理手段，根据需要和想像来修改图像。

CCD 由许多感光单位组成，通常以百万像素为单位。

当CCD表面受到光线照射时，每个感光单位会将电荷反映在组件上，所有的感光单位所产生的信号加在一起，就构成了一幅完整的画面。

CCD和传统底片相比，CCD 更接近于人眼对视觉的工作方式。

只不过，人眼的视网膜是由负责光强度感应的杆细胞和色彩感应的锥细胞，分工合作组成视觉感应。

CCD经过长达35年的发展，大致的形状和运作方式都已经定型。

CCD 的组成主要是由一个类似马赛克的网格、聚光镜片以及垫于最底下的电子线路矩阵所组成。

目前有能力生产 CCD 的公司分别为：SONY、Philps、Kodak、Matsushita、Fuji和Sharp，大半是日本厂商。

CMOS：互补性氧化金属半导体CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）和CCD一样同为在数码相机中可记录光线变化的半导体。

CMOS的制造技术和一般计算机芯片没什么差别，主要是利用硅和锗这两种元素所做成的半导体，使其在CMOS上共存着带N（带–电）和 P（带+电）级的半导体，这两个互补效应所产生的电流即可被处理芯片纪录和解读成影像。

然而，CMOS的缺点就是太容易出现杂点, 这主要是因为早期的设计使CMOS在处理快速变化的影像时，由于电流变化过于频繁而会产生过热的现象。

CCM：CCM其实就是CMOS镜头，只是CCM的画质比CMOS高一点，拍照时感应速度也较快，但以照片品质来说还是逊色于CCD镜头，在实际拍摄中也可以感觉出来，取景速度非常快，就算迅速移动手机摄像头时，屏幕都可以迅速显示所捕抓的画面，过程非常流畅，几乎没有什么延迟。

CCD与CMOS有什么不同
由两种感光器件的工作原理可以看出，CCD的优势在于成像质量好，但是由于制造工艺复杂，只有少数的厂商能够掌握，所以导致制造成本居高不下，特别是大型CCD，价格非常高昂。

在相同分辨率下，CMOS价格比CCD便宜，但是CMOS器件产生的图像质量相比CCD来说要低一些。

到目前为止，市面上绝大多数的消费级别以及高端数码相机都使用CCD作为感应器；CMOS感应器则作为低端产品应用于一些摄像头上，若有哪家摄像头厂商生产的摄想头使用CCD感应器，厂商一定会不遗余力地以其作为卖点大肆宣传，甚至冠
以“数码相机”之名。

一时间，是否具有CCD感应器变成了人们判断数码相机档次的标准之一。

CMOS影像传感器的优点之一是电源消耗量比CCD低，CCD为提供优异的影像品质，付出代价即是较高的电源消耗量，为使电荷传输顺畅，噪声降低，需由高压差改善传输效果。

但CMOS影像传感器将每一画素的电荷转换成电压，读取前便将其放大，利用3.3V的电源即可驱动，电源消耗量比CCD低。

CMOS影像传感器的另一优点，是与周边电路的整合性高，可将ADC与讯号处理器整合在一起，使体积大幅缩小，例如，CMOS影像传感器只需一组电源，CCD却需三或四组电源，由于ADC与讯号处理器的制程与CCD不同，要缩小CCD套件的体积很困难。

但目前CMOS影像传感器首要解决的问题就是降低噪声的产生，未来CMOS影像传感器是否可以改变长久以来被CCD压抑的宿命，往后技术的发展是重要关键。

感光器件的发展
CCD是1969年由美国的贝尔研究室所开发出来的。

进入80年代，CCD 影像传感器虽然有缺陷，由于不断的研究终于克服了困难，而于80年代后半期制造出高分辨率且高品质的CCD。

到了90年代制造出百万像素之高分辨率CCD，此时CCD的发展更是突飞猛进，算一算CCD 发展至今也有二十多个年头了。

进入90年代中期后，CCD技术得到了迅猛发展，同时，CCD的单位面积也越来越小。

但为了在CCD面积减小的同时提高图像的成像质量，SONY与1989年开发出了SUPER HAD CCD，这种新的感光器件是在CCD面积减小的情况下，依靠CCD组件
内部放大器的放大倍率提升成像质量。

以后相继出现了NEW STRUCTURE CCD、EXVIEW HAD CCD、四色滤光技术（专为SONY F828所应用）。

而富士数码相机则采用了超级CCD（Super CCD）、Super CCD SR。

对于CMOS来说，具有便于大规模生产，且速度快、成本较低，将是数字相机关键器件的发展方向。

目前，在CANON等公司的不断努力下，新的CMOS器件不断推陈出新，高动态范围CMOS器件已经出现，这一技术消除了对快门、光圈、自动增益控制及伽玛校正的需要，使之接近了CCD的成像质量。

另外由于CMOS先天的可塑性，可以做出高像素的大型CMOS感光器而成本却不上升多少。

相对于CCD的停滞不前相比，CMOS作为新生事物而展示出了蓬勃的活力。

作为数码相机的核心部件，CMOS感光器以已经有逐渐取代CCD感光器的趋势，并有希望在不久的将来成为主流的感光器。

影像感光器件因素
对于数码相机来说，影像感光器件成像的因素主要有两个方面：一是感光器件的面积；二是感光器件的色彩深度。

感光器件面积越大，成像较大，相同条件下，能记录更多的图像细节，各像素间的干扰也小，成像质量越好。

但随着数码相机向时尚小巧化的方向发展，感光器件的面积也只能是越来越小。

除了面积之外，感光器件还有一个重要指标，就是色彩深度，也就是色彩位，就是用多少位的二进制数字来记录三种原色。

非专业型数码相机的感光器件一般是24位的，高档点的采样时是30位，而记录时
仍然是24位，专业型数码相机的成像器件至少是36位的，据说已经有了48位的CCD。

对于24位的器件而言，感光单元能记录的光亮度值最多有2^8=256级，每一种原色用一个8位的二进制数字来表示，最多能记录的色彩是256x256x256约16,77万种。

对于36位的器件而言，感光单元能记录的光亮度值最多有2^12=4096级，每一种原色用一个12位的二进制数字来表示，最多能记录的色彩是4096x4096x4096约68.7亿种。

举例来说，如果某一被摄体，最亮部位的亮度是最暗部位亮度的400倍，用使用24位感光器件的数码相机来拍摄的话，如果按低光部位曝光，则凡是亮度高于256备的部位，均曝光过度，层次损失，形成亮斑，如果按高光部位来曝光，则某一亮度以下的部位全部曝光不足，如果用使用了36位感光器件的专业数码相机，就不会有这样的问题。

手机的数码相机功能指的是手机是否可以通过内臵或是外接的数码相机进行拍摄静态图片或短片拍摄，作为手机的一项新的附加功能，手机的数码相机功能得到了迅速的发展。

手机摄像头分为内臵与外臵，内臵摄像头是指摄像头在手机内部，更方便。

外臵手机通过数据线或者手机下部接口与数码相机相连，来完成数码相机的一切拍摄功能。

外臵数码相机的优点在于可以减轻手机的重量，而且外臵数码相机重量轻，携带方便，使用方法简单。

处于发展阶段的手机的数码相机的性能应该也处于初级阶段，带有光学变焦的手机目前国内销售的还没有这个功能，不过相信随着手机数码相机功能的发展，带
有光学变焦的手机也会逐渐上市，但大部分都拥有数码变焦功能。

除此之外，目前手机的数码相机功能主要包括拍摄静态图像，连拍功能，短片拍摄，镜头可旋转，自动白平衡，内臵闪光灯等等。

手机的拍摄功能是与其屏幕材质、屏幕的分辨率、摄像头像素、摄像头材质有直接关系。

像素：数码相机的像素数包括有效像素（Effective Pixels）和最大像素（Maximum Pixels）。

与最大像素不同的是有效像素数是指真正参与感光成像的像素值，而最高像素的数值是感光器件的真实像素，这个数据通常包含了感光器件的非成像部分，而有效像素是在镜头变焦倍率下所换算出来的值。

对于手机的数码相机像素，目前只能处于初级发展阶段，像素数并不很高，大都在10万--130万像素之间。

数码相机的像素数越大，所拍摄的静态图像的分辨率也越大，相应的一张图片所占用的空间也会增大。

有效像素：有效像素数英文名称为Effective Pixels。

与最大像素不同，有效像素数是指真正参与感光成像的像素值。

最高像素的数值是感光器件的真实像素，这个数据通常包含了感光器件的非成像部分，而有效像素是在镜头变焦倍率下所换算出来的值。

数码图片的储存方式一般以像素（Pixel）为单位，每个象素是数码图片里面积最小的单位。

像素越大，图片的面积越大。

要增加一个图片的面积大小，如果没有更多的光进入感光器件，唯一的办法就是把像素的面积增大，这样一来，可能会影响图片的锐力度和清晰度。

所以，在像素面积不变的情况下，数码相机能获得最大的图片像素，即为有效像素。

最大像素：最大像素英文名称为Maximum Pixels，所谓的最大像素是经过插值运算。