详谈CCD和CMOS：解析数字摄影世界的奥妙

真正了解摄影的用户，对CCD和CMOS的具体分析，也可能说不太清楚。但如果说相机芯片、影像传感器、全画幅芯片之类的，大家便会瞬间觉得熟悉很多。

在不严谨讨论的情况下，大概可以认为CCD、CMOS和影像传感器就是一回事，但事实上它们并不等价，不能混为一谈。

 

这并非是什么故弄玄虚，而是因为CCD和CMOS分别代表了两种主流的、不同设计、不同原理的影像传感器技术，这就是本期推文与大家一起分享的内容。

首先从CCD和CMOS的定义开始分析。

 

一，数字影像芯片CCD

电荷耦合器件图像传感器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。

原理

CCD传感器是一种新型光电转换器件，它能存储由光产生的信号电荷。当对它施加特定时序的脉冲时，其存储的信号电荷便可在CCD内作定向传输而实现自扫描。它主要由光敏单元、输入结构和输出结构等组成。它具有光电转换、信息存贮和延时等功能，而且集成度高、功耗小，已经在摄像、信号处理和存贮3大领域中得到广泛的应用，尤其是在图像传感器应用方面取得令人瞩目的发展。CCD有面阵和线阵之分，面阵是把CCD像素排成1个平面的器件；而线阵是把CCD像素排成1直线的器件。由于在军事领域主要用的是面阵CCD，因此这里主要介绍面阵CCD。

种类

1、面阵CCD

允许拍摄者在任何快门速度下一次曝光拍摄移动物体。

面阵CCD的结构一般有3种。第一种是帧转性CCD。它由上、下两部分组成，上半部分是集中了像素的光敏区域，下半部分是被遮光而集中垂直寄存器的存储区域。其优点是结构较简单并容易增加像素数，缺点是CCD尺寸较大，易产生垂直拖影。第二种是行间转移性CCD。它是CCD的主流产品，它们是像素群和垂直寄存器在同一平面上，其特点是在1个单片上，价格低，并容易获得良好的摄影特性。第三种是帧行间转移性CCD。它是第一种和第二种的复合型，结构复杂，但能大幅度减少垂直拖影并容易实现可变速电子快门等优点。

2、线阵CCD

用一排像素扫描过图片，做三次曝光——分别对应于红、绿、蓝 三色滤镜，正如名称所表示的，线性传感器是捕捉一维图像。

初期应用于广告界拍摄静态图像，线性阵列，处理高分辨率的图像时，受局限于非移动的连续光照的物体。

3、三线传感器CCD

在三线传感器中，三排并行的像素分别覆盖RGB滤镜，当捕捉彩色图片时,完整的彩色图片由多排的像素来组合成。三线CCD传感器多用于高端数码相机，以产生高的分辨率和光谱色阶。

交织传输CCD：这种传感器利用单独的阵列摄取图像和电量转化，允许在拍摄下一图像时在读取当前图像。交织传输CCD通常用于低端数码相机、摄像机和拍摄动画的广播拍摄机。

全幅面CCD

此种CCD具有更多电量处理能力,更好动态范围，低噪音和传输光学分辨率，全幅面CCD允许即时拍摄全彩图片。

全幅面CCD由并行浮点寄存器、串行浮点寄存器和信号输出放大器组成。全幅面CCD曝光是由机械快门或闸门控制去保存图像，并行寄存器用于测光和读取测光值。图像投摄到作投影幕的并行阵列上。此元件接收图像信息并把它分成离散的由数目决定量化的元素。这些信息流就会由并行寄存器流向串行寄存器。此过程反复执行,直到所有的信息传输完毕。接着，系统进行精确的图像重组。

CCD是由许多个光敏像元按一定规律排列组成的。每个像元就是一个MOS电容器(大多为光敏二极管)，它是在P 型Si衬底表面上用氧化的办法生成1层厚度约为1000A～1500A的SiO2,再在SiO2表面蒸镀一金属层(多晶硅)，在衬底和金属电极间加上1个偏置电压，就构成1个MOS电容器。

当有1束光线投射到MOS电容器上时，光子穿过透明电极及氧化层，进入P型Si衬底，衬底中处于价带的电子将吸收光子的能量而跃入导带。光子进入衬底时产生的电子跃迁形成电子－空穴对，电子－空穴对在外加电场的作用下，分别向电极的两端移动，这就是信号电荷。这些信号电荷储存在由电极形成的“势阱”中。

根据CCD的结构，总体上就是可以分为两部分：光学滤镜和集成电路。

CCD芯片的表面是一系列光学滤镜组件，主要由抗红外线的微型透镜和拜耳彩色滤镜两部分组成，如下图所示：

 

拜耳阵列彩色滤镜是彩色成像的重要组件，它使用了RGB（红绿蓝）色彩模型。由于人眼对绿色的敏感度是红色和蓝色的两倍，因此绿色滤镜的数量是红色和蓝色的两倍。

滤镜下一层便是传感器集成电路。上面是数以千万计的像素（即感光单元），每一个像素均由4个（2个绿色滤镜、1个红色滤镜和1个蓝色滤镜）光电二极管构成。像素呈分层结构，从上至下依次为：多晶硅电极、二氧化硅、N型半导体和P型半导体。其横截面示意图如下图所示：

 

CCD的运行原理

我们可以看到，PN结处有一个耗尽区，当施加反向电压（上为正极，下为负极）时，电子吸收了入射光的能量而跃迁成为了自由电子，存储于正电极下方所形成的电势井（potential well）中。若把电势井类比为杯子，光生电子（光电效应所产生的电子）则类似于杯子里的水。入射光越强，光生电子也越多，杯里的水便越多。

电压的开启与关闭由一系列的时序门电路控制，电势井会随着电压的改变而向邻近高电压处迁移，从而达到了电荷转移的目的。其动态示意图如下图所示：

 

二、数字影像芯片CMOS

CMOS图像传感器是一种典型的固体成像传感器，与CCD有着共同的历史渊源。CMOS图像传感器通常由像敏单元阵列、行驱动器、列驱动器、时序控制逻辑、AD转换器、数据总线输出接口、控制接口等几部分组成,这几部分通常都被集成在同一块硅片上。其工作过程一般可分为复位、光电转换、积分、读出几部分。

基本介绍

在CMOS图像传感器芯片上还可以集成其他数字信号处理电路，如AD转换器、自动曝光量控制、非均匀补偿、白平衡处理、黑电平控制、伽玛校正等，为了进行快速计算甚至可以将具有可编程功能的DSP器件与CMOS器件集成在一起，从而组成单片数字相机及图像处理系统。

CMOS图像传感器具有以下几个优点：

1、随机窗口读取能力。随机窗口读取操作是CMOS图像传感器在功能上优于CCD的一个方面，也称之为感兴趣区域选取。此外，CMOS图像传感器的高集成特性使其很容易实现同时开多个跟踪窗口的功能。

2、抗辐射能力。总的来说，CMOS图像传感器潜在的抗辐射性能相对于CCD性能有重要增强。

3、系统复杂程度和可靠性。采用CMOS图像传感器可以大大地简化系统硬件结构。

4、非破坏性数据读出方式。

5、优化的曝光控制。

值得注意的是，由于在像元结构中集成了多个功能晶体管的原因，CMOS图像传感器也存在着若干缺点，主要是噪声和填充率两个指标。鉴于CMOS图像传感器相对优越的性能，使得CMOS图像传感器在各个领域得到了广泛的应用。

CMOS影像传感器的基本机构

1、微透镜：位于传感器最顶层，主要作用是将入射光线聚焦于光电二极管，提高光线的利用率。

2、彩色滤镜：与CCD类似，也是拜耳滤镜，包含红、绿、蓝三种颜色，用于过滤不同波长的光线。

3、金属连接层（电路）：金属（铝或铜）连接线和氧化物保护膜。

4、硅基：内置主要元件为光电二极管，将光信号转换成电信号。

 

CMOS运行原理

与CCD最大的不同是，CMOS的每个像素都内置有一个独立的信号放大器，因此，CMOS传感器也被称为有源像素传感器（APS，Active Pixel Sensor）。

光线进入CMOS后与光电二极管发生光电效应，偏压门电路控制后者的光敏性，从上至下逐行扫描式曝光，每个像素内产生的电信号均被立即放大。传感器的每一列都有模数转换器（ADC），以列为单位读取电荷数据并转移至并行处理总线，然后输送至信号放大器，最后传至图像处理器。

如下图：

 

CMOS的前照式&背照式

根据结构的不同，CMOS影像传感器可分为前照式和背照式两种。

传统CMOS的光电二极管位于传感器的最底部、金属线下方，入射光从光电二极管的前面（与电路相连的一侧）进入，此类CMOS传感器因此被称为「前照式传感器」（FSI, Front-side Illuminated Sensor）。如下图所示：

 

前照式传感器有一个最大的缺点：

光线在照射到光电二极管时要先经过电路，电路中的金属线会反射一部分入射光，这不仅直接降低了光线的利用率，而且光线的散射也增加了系统的噪声，降低了传感器的宽容度。

为了提升传感器在弱光环境下的感光表现，减少系统噪声，后来在前照式设计的基础上进行了改进与升级，将光电二级管置于电路上方，入射光经过滤镜后直接从二极管的背面（背对电路的一侧）进入。

因此，此类CMOS被称为背照式传感器（BSI, Back-side Illuminated Sensor）。如下图所示：

 

背照式传感器的优点在于：

大大缩短了光线抵达光电二极管的路径，减少了光线的散射，使光线更聚焦，从而提升了在弱光环境中的感光能力，减少了系统噪声和串扰。背照式设计是CMOS技术的重大改进，对传统CMOS具有更大的竞争优势。

 

三、CCD VS CMOS

到了第三板块，我们就全面地对比两类影像传感器的优劣。

1、CDD的优劣

 

CCD传感器的主要优点是高画质（噪点较少）和高光敏性（感光区域面积更大），但同时也有高能耗、易发热、制作成本高和低处理效率等缺点。CCD主要应用于对画质和宽容度要求较高的领域，如航天、医学等。

2、CMOS的优劣

 

由于每像素都有独立放大器，而且每一列都有模拟/数字信号转换器，CMOS传感器比CCD有更高的数据处理效率高。由于所需电压比CCD低，能耗也大幅减少，无发热问题。低廉的生产成本使得CMOS有技术应用普及、高度商业化的优势。CMOS的这些优点，都是CCD所不具有的。

然而，CMOS并非完美。大量增加了信号放大器固然提升了数据处理效率，但同时也无可避免地抬高了系统的底噪，使得最终影像的噪点问题更为突出，画质方面的表现不及CCD。此外，CMOS的像素区域（感光区）尺寸不如全帧架构CCD，导致前者的弱光表现能力亦不及后者。

虽然CMOS凭借其小尺寸、低成本、低能耗等优势，一直主宰着消费级数码相机和手机摄影领域，但并不意味着CCD已被市场淘汰，两者不是谁取代谁的问题，而是两者各有千秋，各有各的江湖。

综上所述

纵观两种影像传感器，使用与不同的行业，从工作原理、结构、原理维度进行分析，文章虽长，但依旧难免有疏漏，很难做到面面俱到。因为，影像传感器的设计问题，是远比拍照更加复杂的问题，且超过了常人对成像的理解范畴。限于个人知识储备有限，也只能简单的概括一部分。希望能给大家带来帮助。

 

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注：参考文献

[1]Mortimer Abramowitz，Michael W. Davidson，

Concepts in Digital Imaging Technology，hamamatsu.ma.NET.fsu.ed

[2]Elizabeth Allen,Sophie Triantaphillidou,The Manual_of_Photography (10th ed.) Oxford Focal Press。