【综述】一文了解CCD和CMOS的区别及应用

前言

几十年来，CCD和CMOS技术，一直在争夺图像传感器的优势。

那么这两种传感器有什么区别？

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。

CCD（电荷耦合器件）和CMOS（互补金属氧化物半导体）是两种常见的图像传感器，它们的区别和优势如下：

工作原理

CCD：通过光电二极管将光信号转化为电荷，然后在时钟脉冲的作用下，将电荷依次转移到输出端进行放大和数字化处理。

CMOS：每个像素点都有独立的放大器和模数转换器，光信号转化为电荷后，可直接在像素点附近进行放大和数字化处理。

如下图所示，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。

结构特点

 CCD：结构相对简单，像素排列紧密，能够实现较高的分辨率和较好的图像质量。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。

 CMOS：内部集成了大量的晶体管，除感光元件外，还包含了信号处理电路等，因此像素之间存在一定的间隔，会影响感光面积和图像质量。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。

性能表现

CCD：具有较高的感光度、较低的噪声水平和较宽的动态范围，能够捕捉到更多的细节和层次，在低光照条件下表现出色。

CMOS：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。

成本差异

CCD：制造工艺复杂，需要较高的电压来驱动电荷转移，功耗相对较大。成本较高。

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，因此，CCD传感器的成本会高于CMOS传感器。

CMOS：制造工艺相对简单，采用了互补金属氧化物半导体工艺，工作电压较低，功耗较小。成本较低，且易于大规模生产。

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。

分辨率差异

例如，目前市面上CMOS传感器210万象素的其尺寸为1/2英寸，象素尺寸为4.25μm，但CCD传感器其尺寸相差不多(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。

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。

 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。

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。

应用领域 

CCD相机

天文观测：具有高灵敏度、低噪声和宽动态范围的特点，能够捕捉到微弱的天体光线，帮助天文学家观测星系、恒星等天体。

专业摄影：在一些对画质要求极高的商业摄影、风光摄影、人像摄影等领域，CCD相机可以提供出色的图像质量，色彩还原度和层次感较好。

医疗成像：如X光、CT扫描、核磁共振等医疗设备中，CCD相机用于捕捉图像信息，帮助医生进行疾病诊断。

科学研究：在物理、化学、生物等科学实验中，CCD相机可用于记录实验过程中的图像信息，如粒子碰撞、化学反应、细胞活动等。

CMOS相机

 消费级摄影：广泛应用于智能手机、数码相机、摄像机等消费级影像设备中，具有成本低、功耗低、集成度高的优点。

 监控安防：可以满足大规模部署的需求，能够长时间稳定工作，并且在低光照条件下也有较好的表现。

 工业检测：在工业生产线上，用于检测产品的外观缺陷、尺寸测量、装配验证等，可快速获取图像信息并进行分析处理。

 航空航天：由于CMOS相机功耗低、重量轻，适用于航空航天领域的遥感、航拍等应用，可在恶劣环境下工作。

CMOS的特点和未来

现在，CMOS（互补金属氧化物半导体）与CCD相同，它使用光电二极管和放大器将电荷转换为电信号。“CMOS”本身指的是半导体的组成和结构，也应用于存储器等各个领域。数码相机中使用的器件正式称为“CMOS 图像传感器”。

CMOS图像传感器具有一个放大器与一个光电二极管配对的结构。这是与CCD图像传感器最大的区别。来自每个元件的电荷在传输到图像处理部分之前由放大器放大，从而使得传输过程不易受到噪声的影响。

CMOS图像传感器的最大特点是可以做成“片上系统”。简而言之，由于它可以使用与个人计算机芯片组相同的制造工艺来制造，因此不仅可以制造光电二极管，还可以制造用于成像的各种机构，例如信号放大放大器和传输电路，并且可以将其内置于个体中。半导体。

可以做成单芯片，在成本上是有利的，量产到一定程度后，制造成本可以大幅降低。它在功耗方面具有优势，因为处理系统可以容纳在单个芯片上，并且随着制造工艺变得更加小型化，读出/传输速度变得更容易提高，这不是已经比CCD更有优势了。

然而，CMOS本身作为一种半导体被应用于多种领域，并且其发展极其迅速。换句话说，CMOS用于其他应用的新技术正越来越多地应用于CMOS图像传感器。

　　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，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。

结束语:我们一起学习，阅读其过程中更进一步。