CCD和CMOS传感器的原理及区别_百度文库
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CCD和CMOS传感器的原理及区别
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CCD的第二层是分色滤色片，目前有两种分色方式，一是RGB原色分色法，另一个则是CMYG补色分色法，这两种方法各有利弊。不过以产量来看，原色和补色的比例大约在2：1左右。原色CCD的优势在于画质锐利，色彩真实，但缺点则是噪声问题。因此一般采用原色CCD的DC，在ISO感光度上多半不会超过400。相对的补色CCD多了一个Y黄色滤色器，在色彩的分辨上比较仔细，但却牺牲了部分，而在ISO值上，补色CCD可以容忍较高的感度，一般都可设定在
800以上。（关于这两种分色方式见下图）
CCD的第三层是感光汇流片，这层主要是负责将穿透滤色层的光源转换成电子信号，并将信号传送到处理芯片，将影像还原。
最后说一下CMOS：
&&&CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）即互补性金属氧化物半导体，其在微处理器、闪存和特定用途集成电路（ASIC）的半导体上占有绝对重要的地位。CMOS和CCD一样都是可用来感受光线变化的半导体。CMOS主要是利用硅和锗这两种元素所作成的半导体，通过CMOS上带负电和带正电的晶体管来实现基本的的。这两个互补效应所产生的电流即可被处理芯片记录和解读成影像。
&&&因为CMOS结构相对简单，与现有的大规模集成电路生产工艺相同，从而生产成本可以降低。从原理上讲，CMOS的信号是以点为单位的电荷信号，而CCD是以行为单位的电流信号，前者更为敏感，速度也更快，更为省电。于专业级别的相机上，许多低档入门型的数码相机使用的是廉价低档的CMOS，其成像质量比较差。最大的缺点就是太容易出现噪点,
这主要是因为早期的使CMOS在处理快速变化的影像时，由于电流变化过于频繁而会产生过热的现象。所以目前如果购买消费级数码相机还是要选择以CCD为影像传感器的。不过高端的单反相机还是以CMOS居多。
两者优缺点的比较
　　　　　　CCD && 　　　　　　　　　　　CMOS&
&&&设计&& & 　单一感光器 &&　　　　　　　　 感光器连接放大器&
&&&灵敏度 &　 同样面积下高 &　　　　　　　　感光开口小，灵敏度低&
&&&成本线路　 品质影响程度高，&& 　　　　　 成本高 &&&CMOS整合集成，成本低&
&&&解析度 & 　连接复杂度低，解析度高&&　　　低，新技术高&
&&&噪点比 & 　单一放大，噪点低 && 　　　　　百万放大，噪点高&
&&&功耗比 & 　需外加电压，功耗高 &　　　　　直接放大，功耗低
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），透过每一个像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像素的资料。
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、噪点与耗电量等，不同类型的差异：
ISO 感光度差异：由于CMOS 每个像素包含了放大器与A/D转换电路，过多的额外设备压缩单一像素的感光区域的表面积，因此相同像素下，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，如果通道中有一个像素故障（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 每个像素的结构比 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1400万像素 / 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。
噪点差异：由于CMOS每个感光二极体旁都搭配一个 ADC 放大器，如果以百万像素计，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最终计算出的噪点就比较多。
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像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。
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MCCD与CCD、CMOS技术之比较
“平安城市”是近期中国安防业发展的重要推动力，2011年起在全国范围内推行，预计“十二五”内将带动2400万个摄像头、约合1200亿元左右的行业产值。视频监控系统国内市场发展潜力巨大，预计到“十二五”末，国内监控摄像机的每千人拥有量将达到25台，同时考虑设备更新、出口产值增加的因素，预计2015年视频监控设备产值将超过1100亿元，CAGR（复合年均增长率）达到23%。摄像机作为监控领域前端设备的排头兵，未来的发展前景十分广阔，而作为摄像机核心部件的芯片，其一举一动都牵动着整个行业的神经。随着安防行业的需求越来越明确，已有越来越多的芯片厂家开始关注并主动去推广安防这个潜力巨大的市场，安防芯片市场有望成为继工业自动化、消费电子等领域之后一个新的利润聚焦点。然而，在中国这个全民缺失自主产权的核心芯片技术的时代，安防芯片的国产化和产业化同样成为中国安防企业抢占技术高地的掣肘，近期，由昆山锐芯微电子提出的一种全新的图像传感器架构——MCCD有望抢占中国安防芯片市场的先机，引领中国安防芯片技术的发展。
&“”是近期中国安防业发展的重要推动力，2011年起在全国范围内推行，预计“十二五”内将带动2400万个摄像头、约合1200亿元左右的行业产值。视频监控系统国内市场发展潜力巨大，预计到“十二五”末，国内监控摄像机的每千人拥有量将达到25台，同时考虑设备更新、出口产值增加的因素，预计2015年视频监控设备产值将超过1100亿元，CAGR（复合年均增长率）达到23%。摄像机作为监控领域前端设备的排头兵，未来的发展前景十分广阔，而作为摄像机核心部件的芯片，其一举一动都牵动着整个行业的神经。随着安防行业的需求越来越明确，已有越来越多的芯片厂家开始关注并主动去推广安防这个潜力巨大的市场，安防芯片市场有望成为继工业自动化、消费电子等领域之后一个新的利润聚焦点。然而，在中国这个全民缺失自主产权的核心芯片技术的时代，安防芯片的国产化和产业化同样成为中国安防企业抢占技术高地的掣肘，近期，由昆山锐芯微电子提出的一种全新的图像传感器架构——MCCD有望抢占中国安防芯片市场的先机，引领中国安防芯片技术的发展。
二、CCD与CMOS技术
1. CCD技术
CCD的英文全称是Charge-coupled Device，中文全称是耦合元件，通常称为CCD传感器。CCD是一种半导体器件，能够把影像转化为， CCD上植入的微小光敏物质称作（Pixel），一块CCD上包含的像素数越多，其提供的分辨率也就越高。CCD的作用就像胶片一样，但它是把图像像素转换成数字信号，CCD上有许多排列整齐的电容，能感应光线，并将影像转变成数字信号。经由外部电路的控制，每个小电容能将其所带的电荷转给它相邻的电容。
CCD可直接将光学信号转换为模拟电流信号，电流信号经过放大和模数转换，实现图像的获取、存储、传输、处理和复现，如图1所示。CCD具有如下特点：（1）体积小重量轻；（2）功耗小，工作电压低，抗冲击与震动，性能稳定，寿命长；（3）灵敏度高，噪声低，大；（4）响应速度快，有自扫描功能，图像畸变小，无残像；（5）应用工艺技术生产，像素集成度高，尺寸精确，商品化生产成本低。CCD传感器的特点在于因为有着更大的感光元件，而带来更加强劲的低照度能力。因此，虽然大家在高清中对于CMOS更加的期待，不过在一些楼梯间，地下车场或者夜视监控等环境的工作中，CCD显然还要比CMOS有着更加出色的发挥。
图1& CCD工作原理
CCD从功能上可分为和面阵CCD两大类。线阵CCD通常将CCD内部电极分成，每组称为一相，并施加同样的。所需相数由CCD芯片内部结构决定，结构相异的CCD可满足不同场合的使用要求。线阵CCD有单沟道和道之分，其光敏区是MOS电容或结构，生产工艺相对较简单。它由光敏区阵列与移位寄存器扫描电路组成，特点是处理信息速度快，外围电路简单，易实现实时控制，但获取信息量小，不能处理复杂的图像（线阵CCD如右图所示）。面阵CCD的结构要复杂得多，它由很多光敏区排列成一个方阵，并以一定的形式连接成一个器件，获取信息量大，能处理复杂的图像。
自CCD问世四十年来，CCD器件及其应用技术的研究取得了惊人的进展，特别是在图像传感和非接触测量领域的发展更为迅速。随着CCD技术和理论的不断发展，CCD技术应用的广度与深度必将越来越大。CCD是使用一种高感光度的半导体材料集成，它能够根据照射在其面上的光线产生相应的电荷信号，在通过模数转换器芯片转换成“0”或“1”的数字信号，这种数字信号经过压缩和程序排列后，可由闪速存储器或卡保存即收光信号转换成计算机能识别的电子图像信号，可对被测物体进行准确的测量、分析。
2. CMOS技术
CMOS（Complementary Metal Oxide
Semiconductor）指，是电压控制的一种放大器件，是组成CMOS数字集成电路的。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，其感光元件主要就是CCD或者CMOS，尤其是低端摄像头产品，而通常高端摄像头都是CCD感光元件。
CMOS被应用于制作数码影像器材的，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，再透过芯片上的（ADC）将获得的影像讯号转变为数字信号输出。CMOS与CCD主要有以下不同：
（1）成像过程
CCD与CMOS图像传感器光电转换的原理相同，他们最主要的差别在于信号的读出过程不同；由于CCD仅有一个（或少数几个）输出节点统一读出，其信号输出的一致性非常好；而CMOS芯片中，每个像素都有各自的信号放大器，各自进行电荷-电压的转换，其信号输出的一致性较差。但是CCD为了读出整幅图像信号，要求输出放大器的信号带宽较宽，而在CMOS 芯片中，每个像元中的放大器的带宽要求较低，大大降低了芯片的功耗，这就是CMOS芯片功耗比CCD要低的主要原因。尽管降低了功耗，但是数以百万的放大器的不一致性却带来了更高的固定噪声，这又是CMOS相对CCD的固有劣势。
（2）集成性
从制造工艺的角度看，中电路和器件是集成在半导体单晶材料商，工艺较复杂，世界上只有少数几家厂商能够生产CCD晶元，如DALSA、SONY、松下等。CCD仅能输出模拟电信号，需要后续的地址译码器、模拟转换器、图像信号处理器处理，并且还需要提供三组不同电压的电源同步时钟控制电路，集成度非常低。而CMOS是集成在被称作金属氧化物的版单体材料上，这种工艺与生产数以万计的计算机芯片和存储设备等半导体集成电路的工艺相同，因此声场CMOS的成本相对CCD低很多。同时CMOS芯片能将图像信号放大器、信号读取电路、A/D转换电路、图像信号处理器及控制器等集成到一块芯片上，只需一块芯片就可以实现相机的所有基本功能，集成度很高，芯片级相机概念就是从这产生的。随着CMOS成像技术的不断发展，有越来越多的公司可以提供高品质的CMOS成像芯片，包括：Micron、 CMOSIS、Cypress等。
CCD采用逐个光敏输出，只能按照规定的程序输出，速度较慢。CMOS有多个电荷-电压转换器和行列开关控制，读出速度快很多，大部分500fps以上的高速相机都是CMOS相机。此外CMOS 的地址选通开关可以随机采样，实现子窗口输出，在仅输出子窗口图像时可以获得更高的速度。
CCD技术发展较早，比较成熟，采用PN结或二氧化硅（SiO2）隔离层隔离噪声，成像质量相对CMOS光电传感器有一定优势。由于CMOS图像传感器集成度高，各元件、电路之间距离很近，干扰比较严重，噪声对图像质量影响很大。随着CMOS电路消噪技术的不断发展，为生产高密度优质的CMOS图像传感器提供了良好的条件。
1. MCCD简介
MCCD是昆山锐芯微电子提出的一种全新的图像传感器架构，是中国首款具有完全自主知识产权的高端主流监控用图像传感器，如图2所示。在2012年中安协举办的国际社会公共安全产品博览会上，三辰科技与昆山锐芯微电子合作正式把它推入市场，取得了非常大的反响，来自世界各地的客商纷纷表示很感兴趣。那么，相比传统的CCD与CMOS，MCCD具有怎样的优势和魅力呢？
图2& MCCD芯片
从图像传感器的制作工艺上分，目前只有两种工艺：一种是CCD，另一种是CMOS。CCD是集成在半导体单晶硅材料上，而CMOS是集成在互补金属氧化物半导体材料上。
从图像传感器的架构上分：CCD的曝光由XSG1、XSG2及XSUB控制，读出由XH1、XH2、XV1、XV2、XV3、XV4控制，这些信号都来自DSP，因此CCD是被动器件；而CMOS的曝光及读出，都来自于芯片内部的时基生成模块，因此CMOS是主动器件。
从彩色滤光阵列来看，一般的CCD使用互补色CMYG的滤光阵列，而CMOS使用原色RGB的滤光阵列。CMYG阵列对光线的衰减少，但是色彩还原时不如RGB的阵列丰富，因此更加适合于对光灵敏度要求高的安防行业。
MCCD既不是CMOS又不是CCD，它汲取了CMOS与CCD的特点，将图像传感器像素的灵敏度及画质推上了一个更高的台阶。
MCCD使用CMYG互补色滤光阵列，具有如CCD一样的画质，比CCD高的可见光灵敏度及超高的红外光灵敏度、更大的动态范围。MCCD使用与CCD兼容的曝光、读出控制方式（使用XSUB、XSG1、XH1、XH2、XV2、XV4信号），因此MCCD是与CCD相同的被动器件。MCCD又利用CMOS工艺集成度高的特点，将先进的图像信号处理器及AFE的功能集成到芯片中，有效提高了图像质量。
2. MCCD技术特点
图3& MCCD与CCD应用电路的区别
从图3中可明确看出MCCD与CCD应用电路之间的区别主要有以下两方面：
（1）MCCD集成了AFE，可直接输出量化后的数字图像信号；
（2）MCCD使用CMOS工艺，无需CCD的高压驱动，因此除了省去高压驱动芯片以外，电源的设计也相对简化了，PCB上能有更加干净的电源。
此外，MCCD除了具有和主流监控图像传感器CCD相同的数据输出接口（可以直接和CCD配套的DSP接口）之外，还具备更高的可见光及近红外灵敏度，低照度下的信噪比也更为优良，特别适用于“平安城市”全天候监控，室外中远距离大范围的夜视监控和高端无红暴、需要940NM波长红外灯补光的专业监控摄像机系统。
在技术基础方面，MCCD具有以下特点：
（1）高性能的像素设计，高灵敏度的像素设计是成就MCCD的坚实基础。
（2）高速并行技术，帧速每秒可超2000帧。
（3）高速红外三维影像捕捉，全球首创的全局结合滚动高速曝光模式。
（4）独有防蒙尘技术，能够消除50%以上的图像固形噪声，提高画面品质。
MCCD的研制成功，标志着中国的安防监控行业在高端监控摄像机前端设备核心技术上取得重要突破，使我国高端主流监控摄像机的制造业有了质的飞跃，也让中国安防监控业在摆脱日美等国家在市场和技术上的垄断道路上迈出了重要的一步。
综上所述，MCCD是使用CMOS工艺制造的具备CCD画质、兼容CCD读出格式及读出方式的新一代图像传感器，它具有完全自主知识产权、超高的红外灵敏度、优异的夜视效果及更好的动态范围，将逐渐走向市场，接受市场洗礼和挑战。
编辑：张宗蒿
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