相机基础知识讲解：CMOS和CCD

前言

当你在手机或相机上按下拍照键，都发生了些什么？

当你举起手机或相机时，景物通过光线传播在镜头(Lens)生成光学图像，投射到图像传感器上，然后通过传感器上的感光二极管转换为电信号，经过模数转换器（A/D）以及放大器转变为数字图像信号，再送到图像信号处理器（ISP）中加工处理。处理后的图像首先通过显示器实时显示，形成预览界面；当用户按下拍照键时，图像存储在存储器中。

这篇文章就来谈谈其中的感光传感器。CCD和CMOS传感器是目前最常见的感光传感器，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。

一、CMOS

CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)说白了就是个半导体，起初是用来在电脑主板上保存BIOS设置的数据，这个芯片仅仅是用来存放数据的。在数字影像领域，CMOS作为一种低成本的感光元件技术被发展出来，市面上常见的数码产品，其感光元件大部分是CMOS。CMOS制造工艺被应用于制作数码影像器材的感光元件，是将纯粹逻辑运算的功能转变成接收外界光线后转化为电能，再通过芯片内部的模/数转换器(A/D)将获得的影像讯号转变为数字信号输出。

目前市场上的CMOS分为三种结构：前照式（FSI）、背照式（BSI）和堆栈式（Stack）。一般的CMOS都由以下几部分构成：微透镜（microlenses）、颜色过滤器（Color filters）、金属排线、光电二极管以及基板。

对于FSI(Front side illumination)技术而言，光是从前面的金属排线之间进入，然后再聚焦在光电二极管上。这带来的结果就是在金属排线这层光线会被部分阻挡和反射掉，而光电二极管吸收的光线就只有刚进来时候的70％或更少；且这种反射还有可能串扰旁边的像素，导致颜色失真。

采用BSI(Back side illumination)技术来构建像素，光线无需穿过金属排线层，光线几乎没有阻挡和干扰地就到达光电二极管，光线利用率极高，所以背照式CMOS传感器能更好的利用射入的光线。

FSI和BSI为非堆栈式结构，堆栈式的结构首先由SONY应用在了Exmor RS 产品上。对于像素区域的制造工艺，可以使用65nm的制程，但对于处理电路的区域，如果能用45nm的制程制造，那么在处理电路上的晶体管数量就能翻倍，这样，像素处理的速度就更快。

由于像素部分和电路部分独立，因此像素部分可针对高画质优化，电路部分可针对高性能优化。堆栈式不仅继承了背照式的优点（像素区域依然是背照式），还克服了其在制作上的限制与缺陷。因为处理回路的改善和进步，摄像头也将能提供更多的功能，比如说硬件HDR，慢动作拍摄等等。像素与处理回路分家的同时，摄像头的体积也会变得更小，但功能和性能却不减，反而更佳。像素区域（CMOS的尺寸）可以相应地增大，用来种植更多或者更大的像素。

二、CCD

CCD(Charge-coupled Device)是指电荷耦合器件，用耦合方式来传输信号的探测元件。CCD也是一种半导体元件，能够把光信号转化为数字信号。

同样地，CCD结构也包括微镜头和颜色过滤器，但不同的是：CCD上感光组件的表面具有储存电荷的能力，并以矩阵的方式排列。当其表面感受到光线时，会将电荷反应在组件上，整个CCD上的所有感光组件所产生的信号，就构成了一个完整的画面。

微型镜头为CCD的第一层，为了扩展CCD的采光率，必须扩展单一像素的受光面积。但是提高采光率的办法也容易使画质下降。这一层“微型镜头”就等于在感光层前面加上一副眼镜。因此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。

颜色过滤器为CCD的第二层，有两种分色方式，一是RGGB原色分色法，二是RGBW。我们都知道三原色，RGGB分色法即由一个红点，两个绿点和一个蓝点组成，因为人眼视网膜对绿色最敏感，所以绿点有两个；而RGBW技术就是在原有的RGB三原色上增加了W白色像素，称为四色型像素设计，在显示相同亮度的画面时，其耗电量更低。虽然RGBW会降低图像质量，但却能在暗环境下有较好的表现。最近华为，荣耀新推出的RYYB排列，大家可以自行百度一下，这里就不进行介绍了。

感光层为CCD的第三层，这层主要是负责将穿过颜色过滤器的光源转换成电信号，并将信号传送到图像信号处理器(ISP)，将影像还原。CCD芯片就像人的视网膜，是摄像头的核心。目前中国尚无能力制造，市场上大部分摄像头采用的是日本SONY、SHARP、松下、富士等公司生产的芯片，对于韩国三星等也有能力生产，但质量就要稍逊一筹。

三、CMOS和CCD的区别

性能

CCD需在同步信号控制下由三组不同的电源相配合才能输出和转移电荷信息，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结构或二氧化硅（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。近几年，随着CMOS电路消噪技术的不断发展，CMOS的性能已经可以与CCD媲美了。

指标差异

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、Timing 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CMOS传感器。

	ISO感光度	分辨率	噪点	集成度	功耗	成本
CCD	√	√	√
CMOS				√	√	√

欢迎关注我的微信公众号，公众号不只有学习笔记，还有代码分享，和一些有用的小技巧，让我们一起学习一起成长吧。

参考：
CMOS百度百科
CCD百度百科
堆栈式、背照式和传统互补金属氧化物半导体（CMOS）传感器有何区别？
深度解读CMOS图像传感器
关于CCD与CMOS的区别分析