CCD与CMOS感光元件结构透视

中心论题：

• 通过图片形象比较CCD和CMOS在构造和性能的不同
• 分析CCD与CMOS在ISO 感光度、制造成本、解析度、杂讯与耗电量等不同类型的差异

解决方案：

• 从CCD与CMOS的结构上分析两者差异
• 从CCD与CMOS的设计应用上分析两者差异

 

CCD 和 CMOS 感光元件的区别 Mr.OH! 在第二讲中概略地介绍过了，但对于大多数的同学来说，看得到的却是一颗颗已经整合好的芯片组合！现在让我们撇开复杂的技术文字，透过图片比较，来看这两种不同类型，作用却又相同的影像感光元件。

Olympus E1 CCD 感光套件（包含超音波除尘器）：

 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，Mr.OH! 会在下一讲 CCD 感光元件工作原理（上），提及完整的感光元件作业流程。此讲中，Mr.OH!简单地解释：CCD 每曝光一次，自快门关闭或是内部时脉自动断线（电子快门）后，即进行画素转移处理，将每一行中每一个画素（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（类比数位资料转换器） 输出；相对地，CMOS 的设计中每个画素旁就直接连着『放大器』，光电讯号可直接放大再经由 BUS 通路移动至 ADC 中转换成数位资料。

CCD与CMOS的比较  
由于构造上的基本差异，我们可以表列出两者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），透过每一个画素集合至单一放大器上再做统一处理，可以保持资料的完整性；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画素的资料。

CCD 与 CMOS 电路结构之完整比较（摘录自 SHARP 月刊）：

 

差异分析，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 感光度、制造成本、解析度、杂讯与耗电量等。不同类型的差异：

• ISO 感光度差异：由于 CMOS 每个画素包含了放大器与A/D转换电路，过多的额外设备压缩单一画素的感光区域的表面积，因此在相同画素下，同样大小之感光器尺寸，CMOS的感光度会低于CCD。　 成本差异：CMOS 应用半导体工业常用的 MOS制程，可以一次整合全部周边设施于单晶片中，节省加工晶片所需负担的成本 和良率的损失；相对地 CCD 采用电荷传递的方式输出资讯，必须另辟传输通道，如果通道中有一个画素故障（Fail），就会导致一整排的讯号壅塞，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。
• 解析度差异：在第一点『感光度差异』中，由于CMOS 每个画素的结构比 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感光器的解析度通常会优于CMOS。不过，如果跳脱尺寸限制，目前业界的CMOS 感光原件已经可达到1400万 画素 / 全片幅的设计，CMOS 技术在量率上的优势可以克服大尺寸感光原件制造上的困难，特别是全片幅 24mm-by-36mm 这样的大小。
• 杂讯差异：由于CMOS每个感光二极体旁都搭配一个 ADC 放大器，如果以百万画素计，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最终计算出的杂讯就比较多。
• 耗电量差异：CMOS的影像电荷驱动方式为主动式，感光二极体所产生的电荷会直接由旁边的电晶体做放大输出；但CCD却为被动式， 必须外加电压让每个画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。
• 其他差异：IPA（Indiviual Pixel Addressing）常被使用在数位变焦放大之中，CMOS 必须仰赖 x,y 画面定位放大处理，否则由于个别画素放大器之误差，容易产生画面不平整的问题。制造机具上，CCD 必须特别订制的机台才能制造，也因此生产高画素的 CCD 元件产生不出日本和美国，CMOS 的生产一般记忆体/处理器机台即可担负。

CMOS 完整3D透视与平面结构：

位于最上层的为 MicroLens 微型聚光镜片。尽管CCD 在影像品质等各方面均优于CMOS，但不可否认的CMOS具有低成本、低耗电以及高整合度的特性。 由于数位影像的需求热烈，CMOS的低成本和稳定供货，成为厂商的最爱，也因此其制造技术不断地改良更新，使得 CCD 与 CMOS 两者的差异逐渐缩小 。新一代的CCD朝向耗电量减少作为改进目标，以期进入照相手机的行动通讯市场；CMOS系列，则开始朝向大尺寸面积与高速影像处理晶片统合，藉由后续的影像处理修正杂讯以及画质表现，特别是 Canon 系列的 EOS D30 、EOS 300D 的成功，足见高速影像处理晶片已经可以胜任高画素 CMOS 所产生的影像处理时间与能力的缩短；另外，大尺寸全片幅则以 Kodak DCS Pro14n、DCS Pro/n、DCS Pro/c 这一系列的数位机身为号召，CMOS未来跨足高阶的影像市场产品，前景可期。
 

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