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1、CCD与CMOS技术对比分析1 基本原理CCD的成像原理 CCD（Charge Coupled Device），中文名字叫电荷耦合器，是一种特殊的半导体材料。它由大量独立的光敏元件组成，这些光敏元件通常是按矩阵排列的。光线透过镜头照射到 CCD上，并被转换成电荷，每个元件上的电荷量取决于它所受到的光照强度。当你按动快门，CCD将各个元件的信息传送到模/数转换器上，模拟电信号经过模 /数转换器处理后变成数字信号，数字信号以一定格式压缩后存入缓存内，此时一张数码照片诞生了。然后图像数据根据不同的需要以数字信号和视频信号的方式输出。CMOS是怎样工作的 CMOS即互补金属氧化物半导体，它在微处理器、
2、闪存和ASIC（特定用途集成电路）的半导体技术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做成的半导体，通过CMOS上带负电和带正电的晶体管来实现基本的功能。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。CCD在工作时，上百万个像素感光后会生成上百万个电荷，所有的电荷全部经过一个“放大器”进行电压转变，形成电子信号，因此，这个“放大器”就成为了一个制约图像处理速度的“瓶颈”，所有电荷由单一通道输出，就像千军万马从一座桥上通过，当数据量大的时候就发生信号“拥堵”，而HDV格式却恰恰需要在短时间内处理大量数据，因此，在民
3、用级产品中使用单CCD无法满足高速读取高清数据的需要。而CMOS则不同，每个像素点都有一个单独的放大器转换输出，因此CMOS没有CCD的“瓶颈”问题，能够在短时间内处理大量数据，输出高清影像，因此也能都满足高清HDV的需求。CCD芯片CMOS芯片原理基于单晶硅技术基于MOS技术成品率低高功耗高低成本高低读取速度低高宽动态范围小大2 低照度随着技术的进步，发展出的半导体工艺BSI技术能彻底解决CMOS低照度下表现不佳的情况。BSI技术背面照射是能够消除CMOS传感器唯一的缺点灵敏度低的技术。传统CMOS传感器的光传感器（光电二极管）上面有3层等多层布线层，遮挡了部分入射光。因此，灵敏度比只有1层
4、布线层的CCD传感器要低，只有后者的一半左右。而BSI型CMOS传感器的光传感器上面没有布线层（图2）。因为是从光传感器的背面（硅底板侧）采光。这样便能够防止遮挡入射光。 所以，可以获得与CCD相当甚至高于CCD的灵敏度。从而解决了CMOS的最后一个弱点。在2009年后，各大厂家就实现了向CMOS全面转型的计划。目前，CCD的领导者SONY推出的所有高清网络摄像机都是基于CMOS技术的。而且在最低照度要求已经优于CCD器件。SONY高清摄像机SNC-DH160 HD高清网络全能型半球摄像机 采用CMOS，最低照度：彩色0.50lx (IR ON)(F1.2/AGC 42dB/50IRE)，黑白
5、0 lx (IR ON)(F1.2/AGC 42dB/50IRE)SNC-DM160 百万像素智能网络半球摄像机，采用CCD感光器件，最低照度：彩色：0.8Ix，50IRE，F1.3，AGC 30dB ，黑白：0.15Ix，50IRE，F1.3，AGC 30dB3 宽动态应用自然光线的排列是从120000Lux到星光夜里的0.00035Lux。当摄像机从室内看窗户外面，室内照度为100Lux，而外面风景的照度可能是10000Lux，对比就是10000/100=100:1。这个对比人眼能很容易地看到，因为人眼能处理1000:1的对比度，然而传统的安防监控摄像机则不行，因为它只有3:1的对比性能。
6、因此，它只能选择使用1/60秒的电子快门来取得室内目标的正确曝光，但是室外的影像会被清除掉（全白）；或者换种方法摄像机选择1/6000秒取得室外影像完美的曝光，但是室内的影像会被清除（全黑）。所以必须采用宽动态（WDR）技术。采用多次曝光取样技术，其效果决定于其曝光取样次数。由于读取速度的限制，尽管宽动态CCD摄像机与传统CCD摄像机相比，在技术上有了一次次突破，现在已发展到第三代CCD宽动态摄像机，宽动态范围也达到了160倍，或说54dB。而采用五次取样方式，CCD宽动态摄像机的动态范围最多也只能达到66dB。而在CMOSDSP技术中，每个像素实际上都是一部独立的照相机，可独立控制各自的曝光
7、过程。这样，捕捉物体较亮色调的像素就会在达到饱和之前停止收集光子，而捕捉较暗色调的像素也可以根据需要不断地收集光子，直到它们的信噪比足以准确呈现这些色调为止。同时，中间色调的显示效果也会得到保障，因为对它们进行捕捉的像素也会根据需要精确控制曝光时间，再也不必使用多次曝光得出的数据进行数学“猜测”。因此，CMOS-DPS可得到最大的动态范围120dB。对于同样的场景，采用CCD与CMOS宽动态技术拍摄的照片，左图为CCD拍摄，右图为CMOS拍摄。由上图看出，CMOS-DPS摄像机可以通过其超强的宽动态功能来获得高质量的图像，即可以达到比CCD更真实、更清晰的图像。参考文献：http:/ 1、噪声
8、差异：由于CMOS的每个感光二极管都需要搭配一个放大器，若以百万像素计算的话，那就需要上百万个的放大器，然而放大器属于模拟电路，很难让所得的每个结果都保持一致。而CCD只需要一个放大器放在芯片边缘，与CMOS相比，它的噪声相对减少很多，大大提高了图像品质。 2、耗电量差异：CMOS采用主动式图像采集方式，感光二极管所产生的电荷会直接由旁边的电晶体放大输出；而CCD为被动式采集方式，必须外加1218V的电压以使每个像素中的电荷移送到传输通道。因此CCD就必须设计更精密的电源线路和耐压强度，这样使得CCD的耗电量远远高出CMOS，根据计算CMOS的耗电量仅是CCD的1/81/10。 3、分辨率差异
9、：由于CMOS的每个像素都比CCD复杂，且其像素尺寸很难达到CCD的水平，因此，当我们比较相同尺寸的CCD与CMOS时，CCD的分辨率通常会优于CMOS传感器的水平。例如，维视数字图像技术有限公司生产的4.40m*4.40m像元大小的CCD相机分辨率为1628*1236，而5.2m*5.2m像元大小的CMOS相机分辨率为1280*1024，对比结果明显得出：同尺寸大小，CCD的分辨率要高于CMOS，也就是说成像质量要优于CMOS。 4、灵敏度差异：因为CMOS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，读取信号时 CMOS是点直接读取信号，CCD则是行间接读取信号，因此在像素尺
10、寸相同的情况下，CMOS的灵敏度要低于CCD。 5、成本差异：由于CMOS与现有的大规模集成电路生产工艺相同，可以一次全部整合周边设施到传感器芯片中，大大节省了外围芯片的成本；而CCD采用电荷传递的方式输出数据，只要其中有一个像素传送出现故障，就会导致一整排的数据无法正常传送，因此控制CCD的成品率比CMOS困难许多，因此，CCD的制造成本就相对高于CMOS传感器。 总结： 虽然CCD在影像品质、分辨率大小、灵敏度等方面优于CMOS，而CMOS具有低成本、低功耗以及高整合度的特点。随着CCD与CMOS技术的不断进步，两者之间的差异将逐步减小，目前CCD一直致力于功耗上的改进，而CMOS也在投入大量的研发改善分辨率与灵敏度方面的不足。可以预见在CCD与CMOS不断改进后的未来，我们将走进一个更加缤纷多彩的数码影像世界。
