图像传感器
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在接受光照之后，感光元件产生对应的 电流，电流大小与光强对应，因此感光元件直接 输出的电信号是模拟的。在CCD传感器中，每一 个感光元件都不对此作进一步的处理，而是将它 直接输出到下一个感光元件的存储单元，结合该 元
件生成的模拟信号后再输出给第三个感光元件， 依次类推，直到结合最后一个感光元件的信号才 能形成统一的输出。由于感光元件生成的电信号 实在太微弱了，无法直接进行模数转换工作，因 此这些输出数据必须做统一的放大处理—这项任 务是由CCD传感器中的放大器专门负责，经放大 器处理之后，每个像点的电信号强度都获得同样 幅度的增大；但由于CCD本身无法将模拟信号直 接转换为数字信号，因此还需要一个专门的模数 转换芯片进行处理，最终以二进制数字图像矩阵 的形式输出给专门的DSP处理芯片。而对于 CMOS传感器，上述工作流程就完全不适用了。 CMOS传感器中一个感光元件都直接整合了放大
• 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
• 20世纪末，又有三种新型的图像传感器
问世了，它们分别是互补氧化金属半导
体(Complementary Metal Oxide Semiconductor，简称CMOS)、接触式 图像传感器(Contact lmage Sensor， 简称CIS)和LBCAST传感器系统 (Lateral Buried Charge Accumulator, Sensing Transistor Array)。
• 1、PMT
• PMT是最早出现的图像传感器，从五十年 代发展到现在，技术已经非常成熟，是目 前性能最好的传感器。它就像一个圆柱体 小灯泡，直径约一寸，长度约二寸；内置 多个电极，将进入的光信号转化为电信号， 即使很微弱的光线也可准确补捉。其最高 动态范围可达4.2，相对于其它类型只能达 到3.2-3.6的传感器，PMT要胜出不少； 而且它非常耐用，可以运作十万小时以上。 但是由于其造价相当高，只能应用于专业 的印刷、出版业扫描仪及工程分析。
最常用的做法是覆盖RGB红绿蓝三色滤光片，以 1：2：1的构成由四个像点构成一个彩色像素 （即红蓝滤光片分别覆盖一个像点，剩下的两个 像点都覆盖绿色滤光片），采取这种比例的原因 是人眼对绿色较为敏感。而索尼的四色CCD技术 则将其中的一个绿色滤光片换为翡翠绿色（英文 Emerald，有些媒体称为E通道），由此组成新的 R、G、B、E四色方案。不管是哪一种技术方案， 都要四个像点才能够构成一个彩色像素，这一点 大家务必要预先明确。
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
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。
致，致使放大后的图像数据无法代表拍摄物体的 原貌—体现在最终的输出结果上，就是图像中出 现大量的噪声，品质明显低于CCD传感器。
二、 Ccd与cmos简介
• 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 的闪速存储器或内置硬盘卡保存，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。
四、传感器发展历史
• 图像传感器的历史可以说非常的悠久： 早在1873年，当时科学家约瑟· 美 (Joseph May)及伟洛比· 史密夫 (WilloughbySmith)就发现了硒元素结 晶体感光后能产生电流，这是电子影像 发展的开始。以后陆续有组织和学者研 究电子影像，发明了几种不同类型的图 像传感器。其中重要的发明有20世纪50 年代诞生的光学倍增管(Photo Multiplier Tube，简称PMT)和70年代 出现的电荷耦合装置(Charge Coupled Device，简称CCD)。
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。
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。
• 类似小灯泡的传感器“PMT”
• 2、CCD
• CCD是美国贝尔实验室于1969年发明的，与电脑 晶片CMOS技术相似，也可作电脑记忆体及逻辑 运作晶片。CCD是一种特殊的半导体材料，由大 量独立的感光二极管组成，一般这些感光二极管 按照矩阵形式排列(富士公司的Super CCD除外)。 CCD的感光能力比PMT低，但近年来CCD技术有 了长足的进步，又由于CCD的体积小、造价低， 所以广泛应用于扫描仪、数码相机及数码摄像机
图像传感器
一、CMOS/CCD图像传感
器的工作原理
无论是CCD还是CMOS，它们都采用感 光元件作为影像捕获的基本手段，CCD/CMOS感 光元件的核心都是一个感光二极管 （photodiode），该二极管在接受光线照射之后 能够产生输出电流，而电流的强度则与光照的强 度对应。但在周边组成上，CCD的感光元件与 CMOS的感光元件并不相同，前者的感光元件除 了感光二极管之外，包括一个用于控制相邻电荷 的存储单元，感光二极管占据了绝大多数面积— 换一种说法就是，CCD感光元件中的有效感光面 积较大，在同等条件下可接收到较强的光信号， 对应的输出电信号也更明晰。而CMOS感光元件 的构成就比较
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。
越来越多的数码单反相机使用它，目前数码单 反相机中几乎有一半采用CMOS作为图像传感 器。
五、图像传感器发展现状
• 一、ＣＣＤ图像传感器
•
ＣＣＤ（Charged
Coupled Device）于１９６
９年在贝尔试验室研制成功，
之后由日商等公司开始量产，
其发展历程已经将近３０多
年，从初期的１０多万像素
三、CCD与cmos的区别
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。
已经发展至目前主流应用的
５００万像素。ＣＣＤ又可
分为线型（Linear）与面型
（Area）两种，其中线型应
用于影像扫瞄器及传真机上，
而面型主要应用于数码相机
（DSC）、摄录影机、监视
摄影机等多项影像输入产品
上。
ＣＣＤ传感器的优点：
• 高解析度（High Resolution） • 低杂讯（Low Noise）高敏感度 • 动态范围广（High Dynamic Range） • 良好的线性特性曲线（Linearity） • 高光子转换效率（High Quantum Efficiency ） • 大面积感光（Large Field of View） • 光谱响应广（Broad Spectral Response） • 低影像失真（Low Image Distortion） • 体积小、重量轻：CCD具备体积小且重量轻的特性，因此，可容
易地装置在人造卫星及各式导航系统上 • 低耗电力，不受强电磁场影响 • 电荷传输效率佳：该效率系数影响信噪比、解像率，若电荷传输
效率不佳，影像将变较模糊
• 可大批量生产，品质稳定，坚固，不易老化，使用方便及保养容 易
• 二、ＣＭＯＳ图像传感器
•
ＣＭＯＳ图像传感器于８０年代发明以来，由于
当时ＣＭＯＳ工艺制程的技术不高，以致于传感器在
器和模数转换逻辑，当感光二极管接受光照、产
生模拟的电信号之后，电信号首先被该感光元件
中的放大器放大，然后直接转换成对应的数字信 号。换句话说，在CMOS传感器中，每一个感光 元件都可产生最终的数字输出，所得数字信号合 并之后被直接送交DSP芯片处理—问题恰恰是发 生在这里，CMOS感光元件中的放大器属于模拟 器件，无法保证每个像点的放大率都保持严格一
中。目前大多数数码相机采用的图像传感器都是 CCD。
3、cmos
CMOS技术已发展了数十年，CPU和内存便是由 CMOS组成。但直到1998年它才被用于制作 图像传感器。CMOS的优点是结构比CCD简单， 耗电量只有普通CCD的1/3左右，而且制造成 本比CCD要低。自从佳能公司在专业数码单反 相机EOS D30中采用了CMOS以来，已经有
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。
wk.baidu.com
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
件生成的模拟信号后再输出给第三个感光元件， 依次类推，直到结合最后一个感光元件的信号才 能形成统一的输出。由于感光元件生成的电信号 实在太微弱了，无法直接进行模数转换工作，因 此这些输出数据必须做统一的放大处理—这项任 务是由CCD传感器中的放大器专门负责，经放大 器处理之后，每个像点的电信号强度都获得同样 幅度的增大；但由于CCD本身无法将模拟信号直 接转换为数字信号，因此还需要一个专门的模数 转换芯片进行处理，最终以二进制数字图像矩阵 的形式输出给专门的DSP处理芯片。而对于 CMOS传感器，上述工作流程就完全不适用了。 CMOS传感器中一个感光元件都直接整合了放大
• 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
• 20世纪末，又有三种新型的图像传感器
问世了，它们分别是互补氧化金属半导
体(Complementary Metal Oxide Semiconductor，简称CMOS)、接触式 图像传感器(Contact lmage Sensor， 简称CIS)和LBCAST传感器系统 (Lateral Buried Charge Accumulator, Sensing Transistor Array)。
• 1、PMT
• PMT是最早出现的图像传感器，从五十年 代发展到现在，技术已经非常成熟，是目 前性能最好的传感器。它就像一个圆柱体 小灯泡，直径约一寸，长度约二寸；内置 多个电极，将进入的光信号转化为电信号， 即使很微弱的光线也可准确补捉。其最高 动态范围可达4.2，相对于其它类型只能达 到3.2-3.6的传感器，PMT要胜出不少； 而且它非常耐用，可以运作十万小时以上。 但是由于其造价相当高，只能应用于专业 的印刷、出版业扫描仪及工程分析。
最常用的做法是覆盖RGB红绿蓝三色滤光片，以 1：2：1的构成由四个像点构成一个彩色像素 （即红蓝滤光片分别覆盖一个像点，剩下的两个 像点都覆盖绿色滤光片），采取这种比例的原因 是人眼对绿色较为敏感。而索尼的四色CCD技术 则将其中的一个绿色滤光片换为翡翠绿色（英文 Emerald，有些媒体称为E通道），由此组成新的 R、G、B、E四色方案。不管是哪一种技术方案， 都要四个像点才能够构成一个彩色像素，这一点 大家务必要预先明确。
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
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。
致，致使放大后的图像数据无法代表拍摄物体的 原貌—体现在最终的输出结果上，就是图像中出 现大量的噪声，品质明显低于CCD传感器。
二、 Ccd与cmos简介
• 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 的闪速存储器或内置硬盘卡保存，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。
四、传感器发展历史
• 图像传感器的历史可以说非常的悠久： 早在1873年，当时科学家约瑟· 美 (Joseph May)及伟洛比· 史密夫 (WilloughbySmith)就发现了硒元素结 晶体感光后能产生电流，这是电子影像 发展的开始。以后陆续有组织和学者研 究电子影像，发明了几种不同类型的图 像传感器。其中重要的发明有20世纪50 年代诞生的光学倍增管(Photo Multiplier Tube，简称PMT)和70年代 出现的电荷耦合装置(Charge Coupled Device，简称CCD)。
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。
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。
• 类似小灯泡的传感器“PMT”
• 2、CCD
• CCD是美国贝尔实验室于1969年发明的，与电脑 晶片CMOS技术相似，也可作电脑记忆体及逻辑 运作晶片。CCD是一种特殊的半导体材料，由大 量独立的感光二极管组成，一般这些感光二极管 按照矩阵形式排列(富士公司的Super CCD除外)。 CCD的感光能力比PMT低，但近年来CCD技术有 了长足的进步，又由于CCD的体积小、造价低， 所以广泛应用于扫描仪、数码相机及数码摄像机
图像传感器
一、CMOS/CCD图像传感
器的工作原理
无论是CCD还是CMOS，它们都采用感 光元件作为影像捕获的基本手段，CCD/CMOS感 光元件的核心都是一个感光二极管 （photodiode），该二极管在接受光线照射之后 能够产生输出电流，而电流的强度则与光照的强 度对应。但在周边组成上，CCD的感光元件与 CMOS的感光元件并不相同，前者的感光元件除 了感光二极管之外，包括一个用于控制相邻电荷 的存储单元，感光二极管占据了绝大多数面积— 换一种说法就是，CCD感光元件中的有效感光面 积较大，在同等条件下可接收到较强的光信号， 对应的输出电信号也更明晰。而CMOS感光元件 的构成就比较
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。
越来越多的数码单反相机使用它，目前数码单 反相机中几乎有一半采用CMOS作为图像传感 器。
五、图像传感器发展现状
• 一、ＣＣＤ图像传感器
•
ＣＣＤ（Charged
Coupled Device）于１９６
９年在贝尔试验室研制成功，
之后由日商等公司开始量产，
其发展历程已经将近３０多
年，从初期的１０多万像素
三、CCD与cmos的区别
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。
已经发展至目前主流应用的
５００万像素。ＣＣＤ又可
分为线型（Linear）与面型
（Area）两种，其中线型应
用于影像扫瞄器及传真机上，
而面型主要应用于数码相机
（DSC）、摄录影机、监视
摄影机等多项影像输入产品
上。
ＣＣＤ传感器的优点：
• 高解析度（High Resolution） • 低杂讯（Low Noise）高敏感度 • 动态范围广（High Dynamic Range） • 良好的线性特性曲线（Linearity） • 高光子转换效率（High Quantum Efficiency ） • 大面积感光（Large Field of View） • 光谱响应广（Broad Spectral Response） • 低影像失真（Low Image Distortion） • 体积小、重量轻：CCD具备体积小且重量轻的特性，因此，可容
易地装置在人造卫星及各式导航系统上 • 低耗电力，不受强电磁场影响 • 电荷传输效率佳：该效率系数影响信噪比、解像率，若电荷传输
效率不佳，影像将变较模糊
• 可大批量生产，品质稳定，坚固，不易老化，使用方便及保养容 易
• 二、ＣＭＯＳ图像传感器
•
ＣＭＯＳ图像传感器于８０年代发明以来，由于
当时ＣＭＯＳ工艺制程的技术不高，以致于传感器在
器和模数转换逻辑，当感光二极管接受光照、产
生模拟的电信号之后，电信号首先被该感光元件
中的放大器放大，然后直接转换成对应的数字信 号。换句话说，在CMOS传感器中，每一个感光 元件都可产生最终的数字输出，所得数字信号合 并之后被直接送交DSP芯片处理—问题恰恰是发 生在这里，CMOS感光元件中的放大器属于模拟 器件，无法保证每个像点的放大率都保持严格一
中。目前大多数数码相机采用的图像传感器都是 CCD。
3、cmos
CMOS技术已发展了数十年，CPU和内存便是由 CMOS组成。但直到1998年它才被用于制作 图像传感器。CMOS的优点是结构比CCD简单， 耗电量只有普通CCD的1/3左右，而且制造成 本比CCD要低。自从佳能公司在专业数码单反 相机EOS D30中采用了CMOS以来，已经有
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。
wk.baidu.com
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