科普：详解CCD与CMOS的区别

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CCD（Charge Coupled Device ）感光耦合组件

CCD主要材质为硅晶半导体，基本原理类似 CASIO 计算器上的太阳能电池，透过光电效应，由感光组件表面感应来源光线，从而转换成储存电荷的能力。简单的说，当 CCD 表面接受到快门开启，镜头进来的光线照射时，即会将光线的能量转换成电荷，光线越强、电荷也就越多，这些电荷就成为判断光线强弱大小的依据。CCD 组件上安排有信道线路，将这些电荷传输至放大解码原件，就能还原所有CCD上感光组件产生的信号，并构成了一幅完整的画面。

CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）互补性氧化金属半导体

CMOS的材质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。

二、CCD的结构

CCD 与图像处理核心整合示意图

上图是 CCD 本体与 QV、放大器、模拟数字转换器和记忆缓冲区做构成之完整组件。

利用雷射切开CCD，你将会发现CCD的结构就像三明治一样，第一层是“微型镜头”，第二层是“分色滤色片”以及第三层“感光层”。

CCD 三明治架构示意图

微型透镜

微型镜头，其实是ON-CHIP MICRO LENS。在提升CCD 的总像素的同时，又要确保单一像素面积持续缩小以维持CCD的标准体积。因此，必须扩展单一像素的受光面积。但利用提高开口率来增加受光面积，反而使画质变差。所以，开口率只能提升到一定的极限，否则CCD将成为劣品。为改善这个问题 SONY率先在每一感光二极管上（单一像素）装置微小镜片。这个设计就像是帮CCD挂上眼镜一样，感光面积不再因为传感器的开口面积而决定，而改由微型镜片的表面积来决定。如此一来，可以同时兼顾单一像素的大小，又可在规格上提高了开口率，使感亮度大幅提升的效果。

分色滤色片

CCD的第二层是“分色滤色片”，这个部份的作用主要是帮助 CCD 具备色彩辨识的能力。回到源头，CCD 本身仅是光与电传感器，透过分色滤片，CCD 可以分开感应不同光线的“成分”，从而在最后影响处理器还原回原始色彩。目前CCD有两种分色方式：一是 RGB 原色分色法，另一个则是 CMYG补色分色法，这两种方法各有利弊。

补色CCD原理

原色CCD的优势在于，画质锐利，色彩真实，但缺点则是噪声问题。不过新一代的图像处理引擎已经可以较准确的消除噪声问题，ISO值的限制已经不再是问题了。相对而言，补色CCD由多了一个 Y 黄色滤色器，在色彩的分辨上比较仔细，但却牺牲了部分影像分辨率，而在ISO值上，补色CCD可以容忍较高的感度。

补色 CCD 逐渐被市场淘汰的另一个原因在于转换色彩的复杂性，虽然 CMYG CCD 所拍出来的数字影像比较贴近传统底片，适合于出版输出使用，但，CMYG 需要转换成 RGB 使其能在一般的显示系统中预览图标，无形中也增加了失真的机会，终究不敌市场的现实。因此当前仍以原色CCD为主。

感光层

掀开 CCD的第三层是“感光层”，这层主要是负责将穿透滤色层的光源转换成电子信号，并将信号传送到图像处理芯片，将影像还原。

感光层是 CCD 真正核心，主要的CCD设计大致上分成几个区块。被称为像素Pixel（Photodiodes）感光二极管，主要是应用于光线感应部份，Gate 区有一部份被用作电子快门，蓝色区块则是布局为电荷通路，用来传导电荷之用。白色区块就是 Charge Drain，也有称为 Shielded Shift Registers ，即电荷储存区，主要功用为收集经二极管照射光线后所产生之电荷。

三、CMOS与CCD的差别

CMOS与CCD最大的差别是：放大器位置和数量

比较 CCD 和 CMOS 的结构，放大器的位置和数量是最大的不同之处。

CCD 每曝光一次，自快门关闭或是内部频率自动断线（电子快门）后，即进行像素转移处理，将每一行中每一个像素（pixel）的电荷信号依序传入“缓冲器”（电荷储存器）中，由底端的线路导引输出至 CCD 旁的放大器进行放大，再串联 ADC（模拟数字数据转换器） 输出。

CMOS 的设计中每个像素旁就直接连着“放大器”，光电信号可直接放大再经由 BUS 通路移动至 ADC 中转换成数字数据。

由于构造上的差异，CCD与CMOS在性能上的表现之不同。CCD的特色在于充分保持信号在传输时不失真（专属通道设计），透过每一个像素集合至单一放大器上再做统一处理，可以保持数据的完整性。而CMOS的制程较简单，没有专属通道的设计，因此必须先行放大再整合各个像素的数据。

上图是CCD 与 CMOS 电路结构之完整比较

整体来说，CCD 与 CMOS 两种设计的应用，反应在成像效果上，形成包括 ISO 感亮度、制造成本、分辨率、噪声与耗电量等，不同类型的差异：

1.ISO 感亮度差异：由于 CMOS 每个像素包含了放大器与A/D转换电路，过多的额外设备压缩单一像素的感光区域的表面积，因此在 相同像素下，同样大小之感光器尺寸，CMOS的感亮度会低于CCD。

2.成本差异：CMOS 应用半导体工业常用的CMOS制程，可以一次整合全部周边设施于单芯片中，节省加工芯片所需负担的成本和良率的损失；相对地 CCD 采用电荷传递的方式输出信息，必须另辟传输信道，如果信道中有一个像素故障（Fail），就会导致一整排的信号壅塞，无法传递，因此CCD的良率比CMOS低，加上另辟传输通道和外加 ADC 等周边，CCD的制造成本相对高于CMOS。

3.分辨率差异：在第一点“感亮度差异”中，由于 CMOS 每个像素的结构比CCD复杂，其感光开口不及CCD大，相对比较相同尺寸的CCD与CMOS感光器时，CCD感光器的分辨率通常会优于CMOS。不过，如果跳出尺寸限制，目前业界的CMOS 感光原件已经可达到1400万像素/全画幅的设计，CMOS 技术在亮率上的优势可以克服大尺寸感光原件制造上的困难，特别是全画幅24mm-by-36mm 这样的大小。

4.噪声差异：由于CMOS每个感光二极管旁都搭配一个ADC放大器，如果以百万像素计算，那么就需要百万个以上的ADC放大器，虽然是统一制造下的产品，但是每个放大器或多或少都有些微的差异存在，很难达到放大同步的效果，对比单一个放大器的CCD，CMOS最终计算出的噪声就比较多。

5.耗电量差异：CMOS的影像电荷驱动方式为主动式，感光二极管所产生的电荷会直接由旁边的晶体管做放大输出；但CCD却为被动式，必须外加电压让每个像素中的电荷移动至传输通道。而这外加电压通常需要12伏特（V）以上的水平，因此CCD还必须要有更精密的电源线路设计和耐压强度，高驱动电压使CCD的电量远高于CMOS。

6.其他差异：IPA（Indiviual Pixel Addressing）常被使用在数字变焦放大之中，CMOS 必须依赖x，y画面定位放大处理，否则由于个别像素放大器之误差，容易产生画面不平整的问题。在生产制造设备上，CCD必须特别订制的设备机台才能制造，也因此生产高像素的CCD 组件产生不出日本和美国，CMOS 的生产使用一般的内存或处理器设备机台即可承担。

综上所述，CCD与CMOS的特点决定了CMOS更适用于手机这类便携设备中使用，而CCD则更适用于单反相机这类专业设备上使用。

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