CMOS和CCD圖像傳感器有什么區(qū)別？在智能制造，自動(dòng)化等設(shè)備中，離不開機(jī)械視覺，而說起機(jī)器視覺，一定少不了圖像傳感器。幾十年來，CCD和CMOS技術(shù)，一直在爭(zhēng)奪圖像傳感器的優(yōu)勢(shì)。那么這兩種傳感器有什么區(qū)別？今天我們就來分享一下。

CCD VS CMOS

首先我們要明確CMOS和CCD代表啥意思。

CMOS其實(shí)是Complementary Metal Oxide Semiconductor的簡(jiǎn)稱，中文稱為互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體。而CCD是Charge-Coupled Device的簡(jiǎn)稱，含義是電荷耦合器件。是不是覺得很拗口？還是CMOS和CCD更順耳。

CCD傳感器的名稱來源于捕獲圖像后如何讀取電荷。利用特殊的制造工藝，傳感器能夠在不影響圖像質(zhì)量的情況下傳輸累積的電荷。整個(gè)像素區(qū)域可以看作是個(gè)矩陣，每個(gè)矩陣單元就是一個(gè)像素。

01、CMOS和CCD的微觀結(jié)構(gòu)

CCD的基本感光單元，是金屬氧化物半導(dǎo)體電容器（MOS= Metal Oxide Semiconductor Capacity），它用作光電二極管和存儲(chǔ)設(shè)備。

典型的CCD器件有四層：（a）底部摻雜硼的硅襯底（Silicon Substrate）、（b）溝道停止層（Channel Stop）、（c）氧化層（Silicon Dioxide）和（d）用于控制的柵電極（Polysilicon Gate Electrode）。當(dāng)柵極電壓高時(shí)，氧化層下方會(huì)產(chǎn)生勢(shì)能阱（Potential Well）。傳入的光子可以激發(fā)勢(shì)阱中的電子，這些電子可以被收集和引導(dǎo)，周圍的摻雜區(qū)可防止受激電子泄漏。

使用CCD相機(jī)生成圖像，可分為四個(gè)主要階段或功能：通過光子與器件光敏區(qū)域相互作用產(chǎn)生電荷、收集和存儲(chǔ)釋放的電荷、電荷轉(zhuǎn)移和電荷測(cè)量。

①信號(hào)電荷的產(chǎn)生：CCD工作過程的第一步是電荷的產(chǎn)生。CCD可以將入射光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電荷輸出，依據(jù)的是半導(dǎo)體的內(nèi)光電效應(yīng)（光伏效應(yīng)）。

②信號(hào)電荷的存儲(chǔ)：CCD工作過程的第二步是信號(hào)電荷的收集，就是將入射光子激勵(lì)出的電荷收集起來成為信號(hào)電荷包的過程。

③信號(hào)電荷的傳輸（耦合）：CCD工作過程的第三步是信號(hào)電荷包的轉(zhuǎn)移，就是將所收集起來的電荷包從一個(gè)像元轉(zhuǎn)移到下一個(gè)像元，直到全部電荷包輸出完成的過程。

④信號(hào)電荷的檢測(cè)：CCD工作過程的第四步是電荷的檢測(cè)，就是將轉(zhuǎn)移到輸出級(jí)的電荷轉(zhuǎn)化為電流或者電壓的過程。

CMOS微觀結(jié)構(gòu)：和CCD最大的區(qū)別在于電荷的傳輸方式不同，CMOS使用金屬導(dǎo)線傳遞。CMOS像元工作示意圖。傳感器像素（一個(gè)反向偏置的二極管）連接到讀出芯片中的像素電子元件。

02、CMOS和CCD傳感器工作原理

CMOS外觀：包含像元，數(shù)字邏輯電路，信號(hào)處理器，時(shí)鐘控制器等。

CCD外觀：包含水平和垂直移位寄存器，以及用于水平和垂直移位寄存器的時(shí)鐘控制器，還有輸出放大器等。把這兩種傳感器抽象一下，有下面這兩張電路圖。

CCD傳感器示意圖。CCD本質(zhì)上是一個(gè)大陣列的半導(dǎo)體“桶”，可以將傳入的光子轉(zhuǎn)換為電子并保持累積的電荷。這些電荷，可以被垂直移位寄存器，向下轉(zhuǎn)移到水平移位寄存器，水平移位寄存器可以將電荷轉(zhuǎn)換為電壓并輸出。

CMOS傳感器示意圖。互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體設(shè)計(jì)不是傳輸電荷桶，而是立即將電荷轉(zhuǎn)換為電壓，并在微線上輸出電壓。

CMOS圖像傳感器工作示意圖。CCD在過程結(jié)束時(shí)將電荷轉(zhuǎn)換為電壓，而CMOS傳感器則在開始時(shí)執(zhí)行此轉(zhuǎn)換（因?yàn)楦飨裨獌?nèi)包含電壓轉(zhuǎn)換器）。然后可以通過緊湊、節(jié)能的微型電線輸出電壓。

全幅CCD是結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的傳感器，可以以非常高的分辨率生產(chǎn)。它們只有一個(gè)單線傳輸寄存器作為緩沖器，不能通過傳感器控制設(shè)置快門速度。因此，傳感器必須位于機(jī)械快門后面，因?yàn)楣饷魝鞲衅鞅砻嬷荒茉谄毓鈺r(shí)間內(nèi)暴露在光線下。全幅CCD主要用于科學(xué)和天文學(xué)中的攝影目的。

在曝光時(shí)間結(jié)束時(shí)，來自傳感器單元的電荷同時(shí)傳輸?shù)剿邢袼氐闹虚g存儲(chǔ)器，并通過垂直和水平位移從那里讀出。行間傳輸CCD的優(yōu)勢(shì)在于它們可以快速、完全地從傳感器單元接收?qǐng)D像信息，中間存儲(chǔ)不需要機(jī)械鎖。這種設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)是，傳感器的填充系數(shù)較低，這會(huì)導(dǎo)致對(duì)光的敏感度降低，或在低光下更容易產(chǎn)生噪聲。

曝光后，存儲(chǔ)的圖像或單元中的電荷會(huì)非常迅速地轉(zhuǎn)移到轉(zhuǎn)移寄存器中。然后以與全幀CCD相同的方式從傳輸寄存器讀取電荷。

結(jié)合了行間和全幅CCD原理。通過這種結(jié)構(gòu)，有源傳感器單元的電荷可以非常快速地傳輸?shù)街虚g存儲(chǔ)單元，并從那里同樣快速地傳輸?shù)酵耆煌腹獾膫鬏敿拇嫫鳌ｊP(guān)于CCD工作原理，有一個(gè)經(jīng)典的區(qū)域雨水測(cè)量比喻。

CCD串行讀出方式，可以用桶旅測(cè)量區(qū)域雨量來示意。其中落在桶陣列上的降雨強(qiáng)度可能因地而異，與成像傳感器上的入射光子相似，這些桶在積分期間收集了不同數(shù)量的信號(hào)（水），桶在傳送帶上向代表串行寄存器（Serial Bucket Array）的一排空桶傳送。一整排存儲(chǔ)桶被并行移動(dòng)到串行寄存器的存儲(chǔ)庫中。

串行移位和讀出操作，其中描繪了每個(gè)桶中累積的雨水被順序轉(zhuǎn)移到校準(zhǔn)的測(cè)量容器中，這類似于CCD輸出放大器。當(dāng)串行傳送帶上所有容器的內(nèi)容物按順序測(cè)量完畢后，另一列并行班次（Parallel Register Shift）將下一行收集桶的內(nèi)容物轉(zhuǎn)移到串行記錄容器中，重復(fù)該過程，直到每個(gè)桶（像素）的內(nèi)容物都測(cè)量完畢。

03、結(jié)論

有了前面的了解，我們就直接給出結(jié)論了。CCD和CMOS傳感器之間的主要區(qū)別在于處理每個(gè)像素的方式：CCD將光生電荷從一個(gè)像素移動(dòng)到另一個(gè)像素，并在輸出節(jié)點(diǎn)將其轉(zhuǎn)換為電壓。CMOS成像器，在每個(gè)像素上使用多個(gè)晶體管，將每個(gè)像素內(nèi)的電荷轉(zhuǎn)換為電壓，以使用更傳統(tǒng)的導(dǎo)線放大和移動(dòng)電荷。

CCD和CMOS傳感器的區(qū)別：CCD像元產(chǎn)生的電荷，需要先寄存在垂直寄存器中，然后分行傳送到水平寄存器，最后單獨(dú)依次測(cè)量每個(gè)像元的電荷并放大輸出信號(hào)。而CMOS傳感器，則可以在每個(gè)像元中產(chǎn)生電壓，然后通過金屬線，傳送到放大器輸出，速度更快。

CCD將光生電荷從一個(gè)像素移動(dòng)到另一個(gè)像素，并在輸出節(jié)點(diǎn)將其轉(zhuǎn)換為電壓。CMOS成像器，在每個(gè)像素上使用多個(gè)晶體管，將每個(gè)像素內(nèi)的電荷轉(zhuǎn)換為電壓，以使用更傳統(tǒng)的導(dǎo)線放大和移動(dòng)電荷。

CCDVSCMOS。

CMOS比CCD有一些明顯的優(yōu)勢(shì)：

CMOS傳感器具有比CCD更快的數(shù)據(jù)檢索速度。在CMOS中，每個(gè)像素都單獨(dú)放大，而不是在CCD中的公共端節(jié)點(diǎn)處理數(shù)據(jù)。這意味著每個(gè)像素都有自己的放大器，處理器消耗的噪聲可以在像素級(jí)調(diào)低，然后放大以獲得更高的清晰度，而不是在端節(jié)點(diǎn)一次性放大每個(gè)像素的原始數(shù)據(jù)。

CMOS傳感器更節(jié)能且生產(chǎn)成本更低。它們可以通過重新利用現(xiàn)有的半導(dǎo)體來構(gòu)建。與CCD中的高壓模擬電路相比，這些也使用更少的功率。CCD傳感器的圖像質(zhì)量?jī)?yōu)于CMOS傳感器。然而，CMOS傳感器在功耗和價(jià)格等方面優(yōu)于CCD傳感器。

一文讀懂CMOS圖像傳感器

1873年，科學(xué)家約瑟·美（Joseph May）及偉洛比·史密夫（WilloughbySmith）就發(fā)現(xiàn)了硒元素結(jié)晶體感光后能產(chǎn)生電流，由此，電子影像發(fā)展開始，隨著技術(shù)演進(jìn)，圖像傳感器性能逐步提升。1.20世紀(jì)50年代——光學(xué)倍增管（Photo Multiplier Tube，簡(jiǎn)稱PMT）出現(xiàn)。2.1965年—1970年，IBM、Fairchild等企業(yè)開發(fā)光電以及雙極二極管陣列。3.1970年，CCD圖像傳感器在Bell實(shí)驗(yàn)室發(fā)明，依靠其高量子效率、高靈敏度、低暗電流、高一致性、低噪音等性能，成為圖像傳感器市場(chǎng)的主導(dǎo)。4.90年代末，步入CMOS時(shí)代。

國際空間站使用CCD相機(jī)

1.1997年，卡西尼國際空間站使用CCD相機(jī)（廣角和窄角）。

2.美國宇航局局長(zhǎng)丹尼爾戈?duì)柖》Q贊CCD相機(jī)“更快，更好，更便宜”；聲稱在未來的航天器上減少質(zhì)量，功率，成本，都需要小型化相機(jī)。而電子集成便是小型化的良好途徑，而基于MOS的圖像傳感器便擁有無源像素和有源像素（3T）的配置。

圖像傳感器的歷史沿革——CMOS圖像傳感器

1.CMOS圖像傳感器使得“芯片相機(jī)”成為可能，相機(jī)小型化趨勢(shì)明顯。

2.2007年，Siimpel AF相機(jī)模型的出現(xiàn)標(biāo)志著相機(jī)小型化重大突破。

3.芯片相機(jī)的崛起為多個(gè)領(lǐng)域（車載，軍工航天、醫(yī)療、工業(yè)制造、移動(dòng)攝影、安防）等領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新提供了新機(jī)遇。

CMOS圖像傳感器走向商業(yè)化

1.1995年2月，Photobit公司成立，將CMOS圖像傳感器技術(shù)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。

2.1995-2001年間，Photobit增長(zhǎng)到約135人，主要包括：私營企業(yè)自籌資金的定制設(shè)計(jì)合同、SBIR計(jì)劃的重要支持（NASA/DoD）、戰(zhàn)略業(yè)務(wù)合作伙伴的投資，這期間共提交了100多項(xiàng)新專利申請(qǐng)。

3.CMOS圖像傳感器經(jīng)商業(yè)化后，發(fā)展迅猛，應(yīng)用前景廣闊，逐步取代CCD成為新潮流。

CMOS圖像傳感器的廣泛應(yīng)用

2001年11月，Photobit被美光科技公司收購并獲得許可回歸加州理工學(xué)院。與此同時(shí)，到2001年，已有數(shù)十家競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手嶄露頭角，例如Toshiba，STMicro，Omnivision，CMOS圖像傳感器業(yè)務(wù)部分歸功于早期的努力促進(jìn)技術(shù)成果轉(zhuǎn)化。后來，索尼和三星分別成為現(xiàn)在全球市場(chǎng)排名第一，第二。后來，Micron剝離了Aptina，Aptina被ON Semi收購，目前排名第4。CMOS傳感器逐漸成為攝影領(lǐng)域主流，并廣泛應(yīng)用于多種場(chǎng)合。

CMOS圖像傳感器發(fā)展歷程

70年代：Fairchild，80年代：Hitachi，80年代初期：Sony，1971年：發(fā)明FDA&CDS技術(shù)。80年中葉：在消費(fèi)市場(chǎng)上實(shí)現(xiàn)重大突破；1990年：NHK/Olympus，放大MOS成像儀（AMI)，即CIS，1993年：JPL,CMOS有源像素傳感器，1998年：?jiǎn)涡酒鄼C(jī)，2005年后：CMOS圖像傳感器成為主流。

CMOS圖像傳感器技術(shù)簡(jiǎn)介

CMOS圖像傳感器

CMOS圖像傳感器（CIS）是模擬電路和數(shù)字電路的集成。主要由四個(gè)組件構(gòu)成：微透鏡、彩色濾光片（CF）、光電二極管（PD）、像素設(shè)計(jì)。

1.微透鏡：具有球形表面和網(wǎng)狀透鏡；光通過微透鏡時(shí)，CIS的非活性部分負(fù)責(zé)將光收集起來并將其聚焦到彩色濾光片。

2.彩色濾光片（CF）：拆分反射光中的紅、綠、藍(lán)（RGB）成分，并通過感光元件形成拜爾陣列濾鏡。

3.光電二極管（PD）：作為光電轉(zhuǎn)換器件，捕捉光并轉(zhuǎn)換成電流；一般采用PIN二極管或PN結(jié)器件制成。

4.像素設(shè)計(jì)：通過CIS上裝配的有源像素傳感器（APS）實(shí)現(xiàn)。APS常由3至6個(gè)晶體管構(gòu)成，可從大型電容陣列中獲得或緩沖像素，并在像素內(nèi)部將光電流轉(zhuǎn)換成電壓，具有較完美的靈敏度水平和的噪聲指標(biāo)。

Bayer陣列濾鏡與像素

1.感光元件上的每個(gè)方塊代表一個(gè)像素塊，上方附著著一層彩色濾光片（CF），CF拆分完反射光中的RGB成分后，通過感光元件形成拜爾陣列濾鏡。經(jīng)典的Bayer陣列是以2x2共四格分散RGB的方式成像，Quad Bayer陣列擴(kuò)大到了4x4，并且以2x2的方式將RGB相鄰排列。公眾號(hào)《機(jī)械工程文萃》，工程師的加油站！

2.像素，即亮光或暗光條件下的像素點(diǎn)數(shù)量，是數(shù)碼顯示的基本單位，其實(shí)質(zhì)是一個(gè)抽象的取樣，我們用彩色方塊來表示。

3.圖示像素用R（紅）G（綠）B（藍(lán)）三原色填充，每個(gè)小像素塊的長(zhǎng)度指的是像素尺寸，圖示尺寸為0.8μm。

Bayer陣列濾鏡與像素

濾鏡上每個(gè)小方塊與感光元件的像素塊對(duì)應(yīng)，也就是在每個(gè)像素前覆蓋了一個(gè)特定的顏色濾鏡。比如紅色濾鏡塊，只允許紅色光線投到感光元件上，那么對(duì)應(yīng)的這個(gè)像素塊就只反映紅色光線的信息。隨后還需要后期色彩還原去猜色，最后形成一張完整的彩色照片。感光元件→Bayer濾鏡→色彩還原，這一整套流程，就叫做Bayer陣列。

前照式（FSI）與背照式（BSI）

早期的CIS采用的是前面照度技術(shù)FSI（FRONT-SIDE ILLUMINATED），拜爾陣列濾鏡與光電二極管（PD）間夾雜著金屬（鋁，銅）區(qū)，大量金屬連線的存在對(duì)進(jìn)入傳感器表面的光線存在較大的干擾，阻礙了相當(dāng)一部分光線進(jìn)入到下一層的光電二極管（PD），信噪比較低。技術(shù)改進(jìn)后，在背面照度技術(shù)BSI（FRONT-SIDE ILLUMINATED）的結(jié)構(gòu)下，金屬（鋁，銅）區(qū)轉(zhuǎn)移到光電二極管（PD）的背面，意味著經(jīng)拜爾陣列濾鏡收集的光線不再眾多金屬連線阻擋，光線得以直接進(jìn)入光電二極管；BSI不僅可大幅度提高信噪比，且可配合更復(fù)雜、更大規(guī)模電路來提升傳感器讀取速度。

CIS參數(shù)——幀率

幀率（Frame rate）：以幀為單位的位圖圖像連續(xù)出現(xiàn)在顯示器上的頻率，即每秒能顯示多少張圖片。而想要實(shí)現(xiàn)高像素CIS的設(shè)計(jì)，很重要的一點(diǎn)就是Analog電路設(shè)計(jì)，像素上去了，沒有匹配的高速讀出和處理電路，便無辦法以高幀率輸出出來。

索尼早于2007年chuan'gan發(fā)布了首款Exmor傳感器。Exmor傳感器在每列像素下方布有獨(dú)立的ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器，這意味著在CIS芯片上即可完成模數(shù)轉(zhuǎn)換，有效減少了噪聲，大大提高了讀取速度，也簡(jiǎn)化了PCB設(shè)計(jì)。

CMOS圖像傳感器的應(yīng)用

CMOS圖像傳感器全球市場(chǎng)規(guī)模

2017年為CMOS圖像傳感器高增長(zhǎng)點(diǎn)，同比增長(zhǎng)達(dá)到20%。2018年，全球CIS市場(chǎng)規(guī)模155億美元，預(yù)計(jì)2019年同比增長(zhǎng)10%，達(dá)到170億美元。目前，CIS市場(chǎng)正處于穩(wěn)定增長(zhǎng)期，預(yù)計(jì)2024年市場(chǎng)逐漸飽和，市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到240億美元。

CIS應(yīng)用——車載領(lǐng)域

1.車載領(lǐng)域的CIS應(yīng)用包括：后視攝像（RVC)，全方位視圖系統(tǒng)（SVS)，攝像機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)（CMS），F(xiàn)V/MV，DMS/IMS系統(tǒng)。

2.汽車圖像傳感器全球銷量呈逐年增長(zhǎng)趨勢(shì)。

3.后視攝像（RVC）是銷量主力軍，呈穩(wěn)定增長(zhǎng)趨勢(shì)，2016年全球銷量為5100萬臺(tái)，2018年為6000萬臺(tái)，2019年達(dá)到6500萬臺(tái)，2020年超過7000萬臺(tái)。

4.FV/MV全球銷量增長(zhǎng)迅速，2016年為1000萬臺(tái)，2018年為3000萬臺(tái)，此后，預(yù)計(jì)FV/MV將依舊保持迅速增長(zhǎng)趨勢(shì)，019年銷量4000萬臺(tái)，2021達(dá)7500萬臺(tái)，直逼RVC全球銷量。

車載領(lǐng)域——HDR技術(shù)方法

1.HDR解決方案，即高動(dòng)態(tài)范圍成像，是用來實(shí)現(xiàn)比普通數(shù)位圖像技術(shù)更大曝光動(dòng)態(tài)范圍。

2.時(shí)間復(fù)用。相同的像素陣列通過使用多個(gè)卷簾（交錯(cuò)HDR）來描繪多個(gè)邊框。好處：HDR方案是與傳統(tǒng)傳感器兼容的最簡(jiǎn)單的像素技術(shù)。缺點(diǎn)：不同時(shí)間發(fā)生的捕獲導(dǎo)致產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)偽影。

3.空間復(fù)用。單個(gè)像素陣列幀被分解為多個(gè)，通過不同的方法捕獲：1.像素或行級(jí)別的獨(dú)立曝光控制。優(yōu)點(diǎn)：?jiǎn)螏械倪\(yùn)動(dòng)偽影比交錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)偽影少。缺點(diǎn)：分辨率損失，且運(yùn)動(dòng)偽影仍然存在邊緣。2.每個(gè)像素共用同一微透鏡的多個(gè)光電二極管。優(yōu)點(diǎn)：在單個(gè)多捕獲幀中沒有運(yùn)動(dòng)偽影；缺點(diǎn)：從等效像素區(qū)域降低靈敏度。

4.非常大的全井產(chǎn)能。