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CCD与CMOS图像传感器特点比较
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CCD与CMOS图像传感器特点比较
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3秒自动关闭窗口硬货｜图像传感器大PK：CCD和CMOS谁更强
发表时间：
来源：无忌论坛
作者： 老派
责任编辑： Yuri小白
&　　数码单反相机的图像传感器早年用CCD，如今大部分都CMOS化了。关于CCD和CMOS谁好谁差的问题，坛子里有许多争论。对于广大摄友来说，这是件好事。
　　俺作为一个EE和IT老民工，试着写这帖子，尽量用通俗的语言介绍这两种技术的大概其，各自的优缺点，以及发展的情况。
　　首先，图像传感器的功能就是把光能转换成电信号，数字化后形成数字图像。不管是以CCD技术还是以CMOS技术实现，都是完成这个功能。
　　ccd样片 by Pentax K100d+FA77/1.8
　　CCD和CMOS这两个专业术语，并不是专指图像传感器（image sensor）的，而是两种半导体技术的通称。CCD（Charge Coupled
Device）翻译成&电荷耦合器件&，CMOS（Complementary Metal Oxide
Semiconductor）翻译成&互补金属氧化物半导体&。不管是CCD还是CMOS，实现光电转换的多是利用硅的特性在半导体上形成&光电二极管&（photodiode）。（当然也有CCD使用多晶硅polysilicon）。这和太阳能电池的原理是一样的。
　　CCD和CMOS技术大概都在60年代末、70年代初成型。发明CCD的初衷是为了进行数据存储。但是这一功能为后来的CMOS和磁介质所完全取代了。可是CCD并没有死亡，而是在影像记录方面大放异彩。从70年代开始，CCD就使用在录像机等产品中。80年代，CCD又开始被最早的数码相机所使用。而CCD传感器的许多影响画质的缺点也被逐一克服。30年来，CCD图像传感器已经完全成熟。
　　技术上来说，CCD是由感光阵列将光能信号转化为电荷，然后一行一行地将电荷&移送&到统一的电路上，转换为电压信号，送出传感器芯片，输出到独立的模数转换器ADC上。ADC再将转换好的数字图像信号交给相机的图像处理器。
　　cmos样片 by Canon EOS450d+YC P85/1.4
　　CCD的优点主要是：传感器设计简单、灵敏度高、画质优秀、技术成熟。
　　但是CCD技术不是没有缺点的。大致总结来说，有这么几个问题：
　　1）最大的问题是生产成本。由于CCD不能使用主流的CMOS生产线，而生产量又不是那么大，因此生产成本无法大规模地降下来。
　　2）CCD传感器需要另外配合的ADC、放大器、以及其他支持模块才能使用。这样一来，一是增加了开发和制造成本；二是芯片外过多的模拟电路会引进噪声，进而影响图像质量；三是降低了相机的可靠性。
　　3）耗电。这个地球人都知道。不多说了。与耗电有关联的还有需要多个芯片外提供的参考电压。增加参考电压会增加系统的复杂性，降低可靠性，并且容易引进额外的噪声而影响画质。
　　4）读取速度。由于所有的电荷都要通过统一的电路转换并输出，因此CCD传感器的读取速度比较慢。当然新一代的CCD在这方面有改善，但是是以牺牲灵敏度为代价的。
　　5）CCD传感器固有的blooming现象。就是当光能比较强的时候，电荷会&溢出&而散布（spread）到附近的像素上。（俺估计过去索尼CCD的红色溢出问题就是这个没有处理好。）
　　6）CCD电荷衰减（fading）问题。由于CCD中获取的电荷是以耦合移位（这也是CCD这名字的来源）的方式一行一行输出的，因此在输出过程中，电荷会衰减。进而造成图像噪声。
　　这些大概就是CCD的弱点。虽然厂商以各种方式克服，但是问题并没有完全解决。
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CCD传感器与CMOS传感器两者在结构、性能和技术上均不尽相同，在此我将两者作一个简单的比较，使广大读者对CCD和CMOS能有一个比较初步的认识。
CCD和CMOS传感器是目前最常见的数字图像传感器，广泛应用于数码相机、数码摄像机、照相手机和摄像头等产品上。两者在结构、性能和技术上均不尽相同，在此我将两者作一个简单的比较，使广大读者对CCD和CMOS能有一个比较初步的认识，在选购相关产品时也能做到心中有数。
CCD与CMOS传感器的结构比较
CCD（Charge Coupled Device），即&电荷耦合器件&，是一种感光半导体芯片，用于捕捉图形，但CCD没有能力记录图形数据，也没有能力永久保存，所有图形数据都会不停留地送入一个模数转换器，一个信号处理器以及一个存储设备。1970美国贝尔实验室发明了CCD。二十年后，人们利用这一技术制造了数码相机，将影像处理行业推进到一个全新领域。 CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor），即&互补金属氧化物半导体&。它是计算机系统内一种重要的芯片，保存了系统引导所需的大量资料。有人发现，将CMOS加工也可以作为数码相机中的感光传感器，其便于大规模生产和成本低廉的特性是商家们梦寐以求的。
CCD和CMOS在制造上的主要区别主要是CCD是集成在半导体单晶材料上，而CMOS是集成在被称为金属氧化物的半导体材料上，工作原理没有本质的区别，都是利用感光二极管（photodiode）进行光电转换，这种转换的原理与太阳能电子计算机的太阳能电池效应相近，光线越强、电力越强；反之，光线越弱、电力也越弱。根据此原理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。
比较CCD和CMOS的结构，ADC（数模转换器）的位置和数量是最大的不同。CCD每曝光一次，在快门关闭后进行像素转移处理，将每一行中每一个像素的电荷信号依序传入&缓冲器&中，由底端的线路引导输出至CCD边缘的放大器进行放大，再串联ADC输出；而CMOS的设计中每个像素旁边都直接连着ADC，电荷信号直接放大并转换成数字信号。造成这种差异的原因在于CCD的特殊工艺可保证数据在传送时不会失真，因此各个像素的数据可汇聚至边缘再进行放大处理；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，再整合各个像素的数据。
CCD与CMOS传感器的技术比较
CCD存储的电荷信息，需在同步信号控制下一位一位地实施转移后读取，电荷信息转移和读取输出需要有时钟控制电路和三组不同的电源相配合，整个电路较为复杂而且速度较慢。而CMOS传感器经光电转换后直接产生电流（或电压）信号，信号读取十分简单，还能同时处理各单元的图像信息，速度也比CCD快很多。CCD制作技术起步早，技术成熟，采用PN结或二氧化硅（SiO2）隔离层隔离噪声，成像质量相对CMOS有一定优势。由于CMOS集成度高，各光电传感元件、电路之间距离很近，相互之间的光、电、磁干扰较严重，噪声对图像质量影响很大，使CMOS很长一段时间无法投入实用。近几年，随着CMOS电路消噪技术的不断发展，CMOS的性能已经与CCD相差无几了。
CCD与CMOS传感器的性能比较
ISO感光度：由于CMOS每个像素由四个晶体管与一个感光二极管构成，还包含了放大器与数模转换电路，过多的额外设备缩小了单一像素感光区域的表面积，因此相同像素下，同样的尺寸，CMOS的感光度会低于CCD。
分辨率：由于CMOS传感器的每个像素都比CCD传感器复杂，其像素尺寸很难达到CCD传感器的水平，因此，当我们比较相同尺寸的CCD与CMOS时，CCD传感器的分辨率通常会优于CMOS传感器。
噪点：由于CMOS每个感光二极管都需搭配一个放大器，如果以百万像素计，那么就需要百万个以上的放大器，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传感器的噪点就会增加很多，影响图像品质。
耗电量：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旁边的电晶体做放大输出；而CCD传感器为被动式采集，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12~18V，因此CCD还必须有更精密的电源线路设计和耐压强度，高驱动电压使CCD的耗电量远高于CMOS。CMOS的耗电量仅为CCD的1/8到1/10。
成本：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、ming 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；而CCD采用电荷传递的方式传送数据，只要其中有一个像素不能运行，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，即使有经验的厂商也很难在产品问世的半年内突破50%的水平，因此，CCD传感器的制造成本会高于CMOS传感器。
CCD与CMOS传感器的前景
CCD在影像品质等方面均优于CMOS，而CMOS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，两者的差异将逐渐减小，新一代的CCD传感器一直在功耗上作改进，而CMOS传感器则在改善分辨率与灵敏度方面的不足。相信不断改进的CCD与CMOS传感器将为我们带来更加美好的数码影像世界。
非常好我支持^.^
不好我反对
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( 发表人：电子大兵 )
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　　导语： 关于 cmos 和
这两个词我想喜欢相机的朋友应该都不陌生吧，现在的主流相机基本上都是这两种类型的。但是我们知道归知道，真正了解它的朋友有多少呢?两者有什么区别?孰好孰坏?相信在在电脑前的朋友知道的并不多吧，这就为我们购买相机带来了很大的不便。　　下面小编就来为大家介绍一下 cmos和ccd两个成像器的区别都有哪些 吧!　　先来说一下两者的特点：　　cmos 成像器的特点是体积小重量轻，使用时的功耗较小，性能比较稳定，寿命也比较长，有很好的抗冲击和抗震动的效果。而且其灵敏度较高，噪声比较小，反映的速度也很快，对图像处理后，图像的变形量较小，不会出现残相。还有就是它适合大规模的集成生产，生产成本也比较低。　　ccd 成像器的特点是 , 它有着非常高的集成性，照片的读取速度也很快，但是他的噪音比较大，再加上 ccd 图像 传感器 中的集成度比较高，内部的各元件的距离很近，所有会相互干扰，对相机的成像质量造成一定的影响。　　再来说一下两者的本质区别。　　从结构上来说， cmos 的结构是比较简单的，所以生产成本不会太高，而且它要比 ccd 的反应更加快、更加省电，这就是为什么很多低档入 门 级相机都会选择 cmos 芯片的原因了，普通的 cmos 的分辨率和成像效果是比较差的。但高端一些的 cmos 的成像效果却不会比 ccd 低出多少，大家不要以点带面。　　从两者的工作原理来看， ccd 的优势在于成像质量比 cmos 的好，但缺点也很明显，它的工艺太过复杂，能够掌握其技术的厂商是少之又少，所以价格注定不会便宜，尤其是一些大型 ccd 元件，价格更是高的令人难以接受。所以现在的相机市场上，高端相机一般都是以使用 ccd 的成像器，来彰显身份和地位。　　而 cmo s 成像器最大的优势就是省电了，同样的电池，同样的配置， cmos 能够比 ccd 多使用 1-2 个小时，因为有它只有在电路接通的时候才会消耗电，而 ccd 却每时每刻都在耗电，所谓的 &电老虎&说的就是它。　　总结： 以上就是小编为大家整理介绍的 cmos 和 ccd 成像器的区别了，大家有没有看明白呢?总的来说， cmos 的成本较低，适用于低端相机市场， ccd 的成本较高，适用于高端相机市场。但也不是绝对的，凡事都有例外。希望小编的文章能够帮到大家。&
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CCD和CMOS的技术特点及分类
CCD和CMOS的技术特点及分类
在可以预见的未来，CCD和CMOS两种传感器将在各自的成像领域中扮演重要的角色。那些成功的高端图像捕捉应用用户将不止考虑基本的技术因素，而且还必须考虑其持续发展性、适应性和技术支持性。他们将会在CCD和CMOS传感器供货商的保证下在这种动态技术发展环境中作出长远的考虑。
CCD和CMOS图像传感器均以象素化的金属氧化半导体构成。它们的每个象素通过积累与入射光强成比例的信号电荷完成与空间一一对应的采样功能。
当曝光结束以后，CCD传感器将信号电荷包按照一定的次序转移到一个公共的输出结构中，在这里信号电荷被转换为电压，同时作为一个缓冲区域将其送出。在CMOS图像传感器中，信号电荷到电压的转换在每个象素内部进行。这种信号读出结构的不同带来了两种传感器不同的内部结构、适用性以及各自的局限性。
在CCD传感器中，大部分功能在相机的印刷电路板中生成。如果应用需要变化，设计师只要重新设计这个电路板而不必重新设计图像传感器。而CMOS图像传感器在象素内部完成电荷－电压的转换，并且大部分功能被集成在了传感器内部。虽然如此会降低传感器的应用灵活性，但是却增加了其在恶劣环境中的可靠性。
下面是图像传感器的八个主要特性参数：
1． 灵敏度（RESPONSIVITY）：传感器对单位光照积累信号的能力。一般来说，由于CMOS传感器的增益部分可以在内部轻易实现，因此它比CCD要或多或少地占些优势。两者内部的互补晶体管电路可以允许低功耗、高增益的放大输出，CCD相对要消耗更多的能量。某些CCD生产商正在通过最新的读出放大技术改善这种状况。
2． 动态范围（DYNAMIC RANGE）：传感器象素达到饱和时的电压输出于其能够响应的最低光照的电压输出的比值。通常CCD的动态范围比CMOS传感器高出约1倍左右。同时，CCD器件由于芯片内部集成器件少而有着更低的噪声输出。在外部，通过对CCD芯片的制冷技术、采用更好的光学系统，可以实现比CMOS器件更高的分辨率和适应性。
3． 象素均匀性（UNIFORMITY）：在理想均匀光照条件下各个象素输出的差异。理想状态下各个象素在均匀光照的条件下的输出应当是相同的，但是由于现有的芯片工艺在空间上的差异，尤其是其中的暇疪和放大器参数的不一致，造成的象素输出是非均匀的。需要注意的是在光照条件下的均匀性和接近全暗条件下的均匀性（后者为暗电流噪声）是两个不同的概念。CMOS传感器在上述两种条件下的均匀性均处于劣势，这是由于它的每个象素都包含一个开环输出放大器，而放大器的增益、偏置等参数在目前的芯片工艺下无法达到很高的一致性。某些人甚至预测随着几何尺寸的缩减和差异的增加，CCD将最终击败CMOS传感器。尽管如此，基于反馈的放大器结构可以在光照条件下对增益和均匀性作最佳的折衷处理。这种放大器结构可以使得CMOS传感器的光照均匀性接近CCD传感器的水平。另一方面，CMOS的放大器在偏置参数上仍无法保证均匀性，这主要的表现就是无光照条件下的均匀性参数。尽管CMOS的生产商采取各种方法降低这种非均匀性，但是现在它仍然无法达到CCD的水平。这个参数在高速应用中尤为重要，因为这种非均匀性在高速使用时将对整体输出起到显著影响。
4． 快门速度：开始和结束曝光的能力。这是基本上所有消费级和大部分工业级CCD的标准参数，尤其是在隔行转移器件中，它也是机器视觉应用中一个极重要的参数。CCD可以采用高级的电子快门技术，在损失最小的填充率（即有效曝光区域和传感器有效感光区域物理尺寸的比值）上达到最佳的折衷，即使是小象素的CCD传感器也是如此。在CMOS器件中实现均匀的电子快门需要为CMOS的每个象素增加许多晶体管电路。线上阵CMOS器件中，电子快门因为可以在与每个象素对应的有效感光部分放置而不会影响到填充率。而在面阵CMOS传感器中，电子快门则会影响到填充率参数，因为增加的不透光的电子快门晶体管电路将放置在每个象素的光敏区域中，面阵CMOS图像传感器的设计师通过下面两种方法解决这个问题：快门速度对于诸如军事目标识别和采集应用尤为重要，“滚动快门”可以在CMOS器件上实现开启和关闭快门的功能，但是却会使得运动物体的图像变形。采用一个非均匀的快门，称之为滚动快门，通过对不同的扫描线在不同的时间曝光实现整体曝光（类似于传统相机的快门幕帘）。这样可以减少象素间的电子快门晶体管电路，提高填充率。这对于消费级应用是可以接受的，但是在高端应用中，它却会造成对运动物体的成像变形产生。采用均匀的同步快门，有时也称作非滚动快门（类似于传统相机的镜间快门），对所有象素同时曝光，没有成像变形存在，但是却增加了单位象素的面积。用户必须自己选择使用体积小的、低填充率的、低成本的这种器件还是体积大的、高填充率的和昂
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