1970年是影像處理行業(yè)具有里程碑意義的一年，美國貝爾實驗室發(fā)明了CCD。二十年后，人們利用這一技術(shù)制造了數(shù)字相機，將影像處理行業(yè)推進到一個全新領(lǐng)域。數(shù)字相機無需膠卷和沖洗、可重復(fù)拍攝和即時調(diào)整；影像可無限次復(fù)制且不會降低質(zhì)量，方便永久保存，并可用于電子傳送和處理。它的誕生給影像處理業(yè)帶來了一場革命。

 

    而后，有人發(fā)現(xiàn)，將計算機系統(tǒng)里的一種芯片進行加工也可以作為數(shù)字相機中的感光傳感器，即CMOS，其便于大規(guī)模生產(chǎn)和成本低廉的特性是商家們夢寐以求的。業(yè)內(nèi)人士分析，它在不久的將來可能取代CCD，如今兩者依然共存。許多人認為：“感光傳感器，尤其是CCD，是攝像頭最最核心的部件，是數(shù)字相機的心臟。”而事實并非如此：感光傳感器，尤其是CCD，在攝像頭中的功能是將透過鏡頭的光線捕獲并轉(zhuǎn)換為電子信號，與其說是數(shù)字相機的心臟，不如說是數(shù)字相機的眼睛。在研究級攝像頭中，CCD或CMOS感光傳感器雖然是十分重要的元部件，在很大程度上決定了攝像頭的像素，但CCD/CMOS芯片在攝像頭的成本中并不占主導(dǎo)位置，尤其是在越高端的領(lǐng)域這一特性表現(xiàn)越為突出。

 

從技術(shù)的角度比較，CCD與CMOS有如下四個方面的不同：

 

1.信息讀取方式
    CCD電荷耦合器存儲的電荷信息，需在同步信號控制下一位一位地實施轉(zhuǎn)移后讀取，電荷信息轉(zhuǎn)移和讀取輸出需要有時鐘控制電路和三組不同的電源相配合，整個電路較為復(fù)雜。CMOS光電傳感器經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后直接產(chǎn)生電流（或電壓）信號，信號讀取十分簡單。

 

2.速度
    CCD電荷耦合器需在同步時鐘的控制下，以行為單位一位一位地輸出信息，速度較慢；而CMOS光電傳感器采集光信號的同時就可以取出電信號，還能同時處理各單元的圖像信息，速度比CCD電荷耦合器快很多。

 

3.電源及耗電量
    CCD電荷耦合器大多需要三組電源供電，耗電量較大；CMOS光電傳感器只需使用一個電源，耗電量非常小，僅為CCD電荷耦合器的1/8到1/10，CMOS光電傳感器在節(jié)能方面具有很大優(yōu)勢。

 

4.成像質(zhì)量
    CCD電荷耦合器制作技術(shù)起步早，技術(shù)成熟，采用PN結(jié)或二氧化硅（SiO2）隔離層隔離噪聲，成像質(zhì)量相對CMOS光電傳感器有一定優(yōu)勢。由于CMOS光電傳感器集成度高，各光電傳感元件、電路之間距離很近，相互之間的光、電、磁干擾較嚴重，噪聲對圖像質(zhì)量影響很大，使CMOS光電傳感器很長一段時間無法進入實用。近年，隨著CMOS電路消噪技術(shù)的不斷發(fā)展，為生產(chǎn)高密度優(yōu)質(zhì)的CMOS圖像傳感器提供了良好的條件。

 

此外，CCD與CMOS兩種傳感器在“內(nèi)部結(jié)構(gòu)”和“外部結(jié)構(gòu)”上都是不同的：

 

1.內(nèi)部結(jié)構(gòu)（傳感器本身的結(jié)構(gòu)）
    CCD的成像點為X－Y縱橫矩陣排列，每個成像點由一個光電二極管和其控制的一個鄰近電荷存儲區(qū)組成。光電二極管將光線（光量子）轉(zhuǎn)換為電荷（電子），聚集的電子數(shù)量與光線的強度成正比。在讀取這些電荷時，各行數(shù)據(jù)被移動到垂直電荷傳輸方向的緩存器中。每行的電荷信息被連續(xù)讀出，再通過電荷/電壓轉(zhuǎn)換器和放大器傳感。這種構(gòu)造產(chǎn)生的圖像具有低噪音、高性能的特點。但是生產(chǎn)CCD需采用時鐘信號、偏壓技術(shù)，因此整個構(gòu)造復(fù)雜，增大了耗電量，也增加了成本。

 

    CMOS傳感器周圍的電子器件，如數(shù)字邏輯電路、時鐘驅(qū)動器以及模/數(shù)轉(zhuǎn)換器等，可在同一加工程序中得以集成。CMOS傳感器的構(gòu)造如同一個存儲器，每個成像點包含一個光電二極管、一個電荷/電壓轉(zhuǎn)換單元、一個重新設(shè)置和選擇晶體管，以及一個放大器，覆蓋在整個傳感器上的是金屬互連器（計時應(yīng)用和讀取信號）以及縱向排列的輸出信號互連器，它可以通過簡單的X－Y尋址技術(shù)讀取信號。

 

2.外部結(jié)構(gòu)（傳感器在產(chǎn)品上的應(yīng)用結(jié)構(gòu)）
    CCD電荷耦合器需在同步時鐘的控制下，以行為單位一位一位地輸出信息，速度較慢；而CMOS光電傳感器采集光信號的同時就可以取出電信號，還能同時處理各單元的圖像信息，速度比CCD電荷耦合器快很多。

 

    CMOS光電傳感器的加工采用半導(dǎo)體廠家生產(chǎn)集成電路的流程，可以將數(shù)字相機的所有部件集成到一塊芯片上，如光敏元件、圖像信號放大器、信號讀取電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、圖像信號處理器及控制器等，都可集成到一塊芯片上，還具有附加DRAM的優(yōu)點。只需要一個芯片就可以實現(xiàn)很多功能，因此采用CMOS芯片的光電圖像轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的整體成本很低。

了解三片式CCD傳感器

    第一種技術(shù)，也就是使用最普遍的一種技術(shù)，是使用單片式傳感器。這種彩色傳感器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其中包括三個光學(xué)濾片，用以產(chǎn)生三種原色——紅、綠、藍——單獨組成的三幅圖像。這三幅圖像足以在可見光范圍內(nèi)重新生成所有的顏色。這三種顏色的濾片將傳感器上的全部像素分成三組，每種濾片覆蓋三分之一數(shù)目的像素。傳感器后面連接著視頻電路和計時信號發(fā)生電路，它們會將傳感器采集來的信號合成為彩色的復(fù)合視頻信號。

    由于這種攝像機只有一個傳感器，所有來自鏡頭的光線必須分成三份使用。這樣，整個攝像機的靈敏度就降低到了原來的三分之一。又因為每一個分辨率點都必須由三個不同顏色的點組成，所以分辨率同樣也降低到了原來的三分之一。但是，由于單片式傳感器的價格相對較低，所以它比三片式傳感器（帶棱鏡）應(yīng)用得更廣泛。

    三片式傳感器技術(shù)的光路。這就是用來產(chǎn)生彩色視頻信號的第二種技術(shù)：鏡頭和三色固態(tài)傳感器之間放有棱鏡，將光線折射到三片傳感器上。

    棱鏡的作用是將全部可見光分成三種原色（紅綠藍）。每個傳感器都配有自己的視頻電路和計時電路，以產(chǎn)生對應(yīng)顏色的單色視頻信號。三幅不同顏色的圖像信號是同時產(chǎn)生的，但其強度就依該顏色在場景中所占的比例而定。攝像機最后輸出的復(fù)合視頻信號是三種顏色信號的代數(shù)組合。不同顏色信號在總信號中所占的比例依代表場景亮度的NTSC制式規(guī)定而確定。三片式傳感器技術(shù)比單片式傳感器技術(shù)的成本高，但它生成的圖像也具有更好的色彩保真度、更高的分辨率和靈敏度。

    有一款采用3-CCD器件的彩色攝像機很是出色，它的鏡頭安裝接口的直徑是2.25英寸（卡口式），這么大的直徑主要是為了配合三片式傳感器和棱鏡的工作。棱鏡將入射光線分成三種原色后，各個傳感器的輸出信號經(jīng)混合生成彩色的復(fù)合圖像。將這種攝像機的顯示結(jié)果與單CCD傳感器攝像機的顯示結(jié)果相比較，我們不難發(fā)現(xiàn)，每種顏色的像素數(shù)都是原來的三倍。結(jié)果，圖像的分辨率也提高到了原來的三倍。圖像中的色彩非常逼近被攝場景中的真實色彩。攝像機的分辨率達到了550 (H) X 350 (V)電視線。這種攝像機非常適合對分辨率要求較高的高分辨率S-VHS錄像機和Hi-8錄像機使用。S-VHS和Hi-8錄像機需要接駁YC式信號（其中Y是照度信號，C是色度信號），這種信號的輸出端子不是普通的BNC接頭，但可以與傳統(tǒng)的復(fù)合視頻信號系統(tǒng)相兼容。因為攝像機中使用了三片CCD，它的最低工作照度可以低至1英尺燭光，也就是一支臘燭發(fā)出的光。這臻于完美的安全用彩色攝像機由于可以在低照度下工作，同時又能保有較高的分辨率，所以常被用來識別場景中的人或物，或用于出入口控制中的人員鑒別。

增強型CCD傳感器的光線過載問題

    增強器是一種專門設(shè)計用來在近黑暗條件下工作的夜間監(jiān)視系統(tǒng)。它不是為明亮燈光照射下的停車場或街道而設(shè)計的，它的設(shè)計用途是用于極度缺乏照明的場景，如樹林、無照明的外部邊界，黑暗的內(nèi)部邊界，或遠距離場景等。

    SIT、ISIT和其它光敏真空管攝像設(shè)備都需要采取同樣的預(yù)防措施。長時間暴露在明亮的點光源下，會引起永久性的圖像滯留，或損壞光陰極的表面。當整個場景的照度保持相對一致時，增強器可以達到最佳工作狀態(tài)。多云、或月光照耀下的海邊，或漆黑一片的繁茂樹林，都是增強型攝像機可以大顯示身手的地方。有些地方有明亮的照明光源點，又有些地方完全黑暗的停車場或貨運碼頭，在使用增強型攝像機觀察時，畫面質(zhì)量會非常差，除非只讓攝像機觀察不帶光源點的地帶。

    由于工作照度的降低，強光引起的場景開花現(xiàn)象（Scene blooming，場景內(nèi)的明亮光源所引起的白色過載點的擴散）就成了大多數(shù)攝像機經(jīng)常遭遇到的問題。在低照度攝像系統(tǒng)中，除了偶然的明亮光線或閃光外，整個場景對比度非常小，因此這個問題顯得尤其討厭。當開花現(xiàn)象在畫面中進行時，圖像會變得模糊而丟失許多有用的信息。當SIT接收到的光線強度超過正常標準的1000倍時，圖像開花就會成為嚴重的問題。為了減少這種討厭的過載，許多SIT和ISIT攝像機都配有自動光圈鏡頭，以在攝像機工作的整個動態(tài)范圍內(nèi)提供照度補償。為使攝像機看到過于明亮的目標（危險），常常使用快門機構(gòu)來自動關(guān)閉光線的通道，從而起到保護傳感器和真空管的作用。

    專為低照度工作環(huán)境而設(shè)計的成像設(shè)備通常不能將低照度場景中的高亮度點正常成像（高亮度點會浸染到鄰近區(qū)域去）。不同的低照度系統(tǒng)可以不同程度地處理地表火、閃光、車燈，或跑道燈光等強光源。這些強光源所發(fā)出光線的亮度比從場景搜集的殘余光線的亮度要高得多（后者只能為被攝物體提供極少的照明）。強光源釋放的能量通過空氣和增強器的光學(xué)器件擴展，其結(jié)果是聚集的光線在鄰近范圍內(nèi)多次擴展，直至其尺寸遠遠超過點光源本身應(yīng)占的圖像尺寸，進而引起鄰近圖像細節(jié)的消失。第一代真空管增強器曾飽受這種“開花之苦”。第二代增強器由于具有內(nèi)置的飽和度控制功能，因此較少出現(xiàn)開花現(xiàn)象。第二代增強器在意外的明亮光線（如汽車前燈、街燈等）的過載免除方面作出了有效的改進。通過實際使用這些設(shè)備，就可以看出三級式第一代、第二代和第三代增強器的不同之處。在強光點處理方面，第二代和第三代增強器顯示出比第一代增強器更優(yōu)越的性能。

     CMOS傳感器與CCD傳感器的比較  CCD，(Charge Coupled Device)，即“電荷耦合器件”，以百萬像素為單位。數(shù)碼相機規(guī)格中的多少百萬像素，指的就是CCD的分辨率。CCD是一種感光半導(dǎo)體芯片，用于捕捉圖形，廣泛運用于掃描儀、復(fù)印機以及無膠片相機等設(shè)備。與膠卷的原理相似，光線穿過一個鏡頭，將圖形信息投射到CCD上。但與膠卷不同的是，CCD既沒有能力記錄圖形數(shù)據(jù)，也沒有能力永久保存下來，甚至不具備“曝光”能力。所有圖形數(shù)據(jù)都會不停留地送入一個“模-數(shù)”轉(zhuǎn)換器，一個信號處理器以及一個存儲設(shè)備(比如內(nèi)存芯片或內(nèi)存卡)。CCD有各式各樣的尺寸和形狀，最大的有2×2平方英寸。1970美國貝爾實驗室發(fā)明了CCD。二十年后，人們利用這一技術(shù)制造了數(shù)碼相機，將影像處理行業(yè)推進到一個全新領(lǐng)域。

    CMOS,(Complementary Metal Oxide Semiconductor)，即“互補金屬氧化物半導(dǎo)體”。它是計算機系統(tǒng)內(nèi)一種重要的芯片，保存了系統(tǒng)引導(dǎo)所需的大量資料。有人發(fā)現(xiàn)，將CMOS加工也可以作為數(shù)碼相機中的感光傳感器，其便于大規(guī)模生產(chǎn)和成本低廉的特性是商家們夢寐以求的。                 

   CCD和CMOS的技術(shù)對比

從技術(shù)的角度比較，CCD與CMOS有如下四個方面的不同：

    信息讀取方式：CCD電荷耦合器存儲的電荷信息，需在同步信號控制下一位一位地實施轉(zhuǎn)移后讀取，電荷信息轉(zhuǎn)移和讀取輸出需要有時鐘控制電路和三組不同的電源相配合，整個電路較為復(fù)雜。CMOS光電傳感器經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后直接產(chǎn)生電流（或電壓）信號，信號讀取十分簡單。 　　

    速度：CCD電荷耦合器需在同步時鐘的控制下，以行為單位一位一位地輸出信息，速度較慢；而CMOS光電傳感器采集光信號的同時就可以取出電信號，還能同時處理各單元的圖像信息，速度比CCD電荷耦合器快很多。 　　

    電源及耗電量：CCD電荷耦合器大多需要三組電源供電，耗電量較大；CMOS光電傳感器只需使用一個電源，耗電量非常小，僅為CCD電荷耦合器的1/8到1/10，CMOS光電傳感器在節(jié)能方面具有很大優(yōu)勢。 　　

    成像質(zhì)量：CCD電荷耦合器制作技術(shù)起步早，技術(shù)成熟，采用PN結(jié)或二氧化硅（SiO2）隔離層隔離噪聲，成像質(zhì)量相對CMOS光電傳感器有一定優(yōu)勢。由于CMOS光電傳感器集成度高，各光電傳感元件、電路之間距離很近，相互之間的光、電、磁干擾較嚴重，噪聲對圖像質(zhì)量影響很大，使CMOS光電傳感器很長一段時間無法進入實用。近年，隨著CMOS電路消噪技術(shù)的不斷發(fā)展，為生產(chǎn)高密度優(yōu)質(zhì)的CMOS圖像傳感器提供了良好的條件。

    目前，CCD技術(shù)主要掌握在索尼、佳能、奧林巴斯等幾大廠商手中。主流的數(shù)碼相機均采用CCD作為光敏傳感器件，像素數(shù)一般為三百萬左右。其制造工藝復(fù)雜，功耗大，成本較高。未來，采用CCD傳感器的數(shù)碼相機將繼續(xù)朝著提高像素數(shù)，增加拍攝功能，提高照片質(zhì)量的方向發(fā)展，力爭在各項指標上早日達到傳統(tǒng)相機的標準。

    采用CMOS傳感器的數(shù)碼相機一般低于130萬像素，主要面向以家庭、個人用戶為主的低端市場。其時尚化、多功能、價格低的優(yōu)勢受到了普通消費者的歡迎。國內(nèi)的數(shù)碼相機廠商對CMOS數(shù)碼相機傾注了極高的熱情，包括海鷗、先科、喜馬拉雅等先后推出了相應(yīng)產(chǎn)品。   CMOS可塑性較高，未來除了數(shù)碼相機之外，將在傳真機、掃描儀、數(shù)字攝像機、安全偵測系統(tǒng)等方面得到廣泛應(yīng)用。目前市場上CMOS產(chǎn)品不多，但在美國，包括Intel、ATI在內(nèi)的多家公司都在積極研發(fā)相關(guān)產(chǎn)品。今年7月，歐洲的獨立半導(dǎo)體研究機構(gòu)IMEC公布了兩個有關(guān)CMOS的研發(fā)項目，其中探索CMOS技術(shù)極限的“Advanced Device Implementation Program”，其目標是確立國際半導(dǎo)體技術(shù)規(guī)劃（ITRS）的最新版本，并提出面向60nm～30nm的技術(shù)。

CCD和CMOS攝像頭的區(qū)別

首先說一下在閉路電視監(jiān)控中攝像機的CCD 和CMOS 的結(jié)構(gòu)，ADC的位置和數(shù)量是最大的不同。簡單的說，CCD每曝光一次，在快門關(guān)閉后進行像素轉(zhuǎn)移處理，將每一行中每一個像素（pixel）的電荷信號依序傳入“緩沖器”中，由底端的線路引導(dǎo)輸出至 CCD 旁的放大器進行放大，再串聯(lián) ADC 輸出；相對地，CMOS 的設(shè)計中每個像素旁就直接連著 ADC（放大兼類比數(shù)字信號轉(zhuǎn)換器），訊號直接放大并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。

兩者優(yōu)缺點的比較

                                    CCD                                           CMOS 

            設(shè)    計       單一感光器                            感光器連接放大器 

            靈敏度      同樣面積下高                        感光開口小，靈敏度低 

            成    本       線路品質(zhì)影響程度高，         成本高    CMOS整合集成，成本低 

            解析度      連接復(fù)雜度低，解析度高     低，新技術(shù)高 

            噪點比      單一放大，噪點低                百萬放大，噪點高 

            功耗比      需外加電壓，功耗高            直接放大，功耗低

    由于構(gòu)造上的基本差異，我們可以表列出兩者在性能上的表現(xiàn)之不同。CCD的特色在于充分保持信號在傳輸時不失真（專屬通道設(shè)計），透過每一個像素集合至單一放大器上再做統(tǒng)一處理，可以保持資料的完整性；CMOS的制程較簡單，沒有專屬通道的設(shè)計，因此必須先行放大再整合各個像素的資料。

    整體來說，CCD與CMOS 兩種設(shè)計的應(yīng)用，反應(yīng)在成像效果上，形成包括 ISO 感光度、制造成本、解析度、噪點與耗電量等，不同類型的差異：

    ISO 感光度差異：由于CMOS 每個像素包含了放大器與A/D轉(zhuǎn)換電路，過多的額外設(shè)備壓縮單一像素的感光區(qū)域的表面積，因此相同像素下，同樣大小之感光器尺寸，CMOS的感光度會低于CCD。

    成本差異：CMOS 應(yīng)用半導(dǎo)體工業(yè)常用的MOS制程，可以一次整合全部周邊設(shè)施于單晶片中，節(jié)省加工晶片所需負擔的成本和良率的損失；相對地 CCD 采用電荷傳遞的方式輸出資訊，必須另辟傳輸通道，如果通道中有一個像素故障（Fail），就會導(dǎo)致一整排的訊號壅塞，無法傳遞，因此CCD的良率比CMOS低，加上另辟傳輸通道和外加 ADC 等周邊，CCD的制造成本相對高于CMOS。

     解析度差異：在第一點“感光度差異”中，由于 CMOS 每個像素的結(jié)構(gòu)比 CCD 復(fù)雜，其感光開口不及CCD大， 相對比較相同尺寸的CCD與CMOS感光器時，CCD感光器的解析度通常會優(yōu)于CMOS。不過，如果跳脫尺寸限制，目前業(yè)界的CMOS 感光原件已經(jīng)可達到1400萬像素 / 全片幅的設(shè)計，CMOS 技術(shù)在量率上的優(yōu)勢可以克服大尺寸感光原件制造上的困難，特別是全片幅 24mm-by-36mm 這樣的大小。

    噪點差異：由于CMOS每個感光二極體旁都搭配一個 ADC 放大器，如果以百萬像素計，那么就需要百萬個以上的ADC 放大器，雖然是統(tǒng)一制造下的產(chǎn)品，但是每個放大器或多或少都有些微的差異存在，很難達到放大同步的效果，對比單一個放大器的CCD，CMOS最終計算出的噪點就比較多。

    耗電量差異：CMOS的影像電荷驅(qū)動方式為主動式，感光二極體所產(chǎn)生的電荷會直接由旁邊的電晶體做放大輸出；但CCD卻為被動式， 必須外加電壓讓每個像素中的電荷移動至傳輸通道。而這外加電壓通常需要12伏特（V）以上的水平，因此 CCD 還必須要有更精密的電源線路設(shè)計和耐壓強度，高驅(qū)動電壓使 CCD 的電量遠高于CMOS。