CCD與CMOS影像感光元件結(jié)構(gòu)透視與分析

CCD和CMOS感光元件的區(qū)別Mr.OH!在第二講中概略地介紹了CCD與CMOS，但對(duì)于大多數(shù)的同學(xué)來說，看得到的卻是一顆顆已經(jīng)整合好的晶片組合！內(nèi)部詳細(xì)的結(jié)構(gòu)，以及到底是如何運(yùn)作產(chǎn)生我們看到的一幅幅數(shù)位照片，且我們撇開復(fù)雜的技術(shù)文字，透過圖片比較，來看這兩種不同類型，作用卻又相同的影像感光元件.

OlympusE1CCD感光套件（包含超音波除塵器）放大器位置和數(shù)量比較CCD和CMOS的結(jié)構(gòu)，放大器的位置和數(shù)量是最大的不同之處，Mr.OH!會(huì)在下一講CCD感光元件工作原理（上），提及完整的感光元件作業(yè)流程。此講中，Mr.OH!簡(jiǎn)單地解釋：CCD每曝光一次，自快門關(guān)閉或是內(nèi)部時(shí)脈自動(dòng)斷線（電子快門）后，即進(jìn)行畫素轉(zhuǎn)移處理，將每一行中每一個(gè)畫素（pixel）的電荷信號(hào)依序傳入『緩沖器（電荷儲(chǔ)存器）』中，由底端的線路導(dǎo)引輸出至CCD旁的放大器進(jìn)行放大，再串聯(lián)ADC（類比數(shù)位資料轉(zhuǎn)換器）輸出；相對(duì)地，CMOS的設(shè)計(jì)中每個(gè)畫素旁就直接連著『放大器』，光電訊號(hào)可直接放大再經(jīng)由BUS通路移動(dòng)至ADC中轉(zhuǎn)換成數(shù)位資料。CCD與CMOS的比較

由于構(gòu)造上的基本差異，我們可以表列出兩者在性能上的表現(xiàn)之不同。CCD的特色在于充分保

持信號(hào)在傳輸時(shí)不失真（專屬通道設(shè)計(jì)），透過每一個(gè)畫素集合至單一放大器上再做統(tǒng)一處理，可以保持資料的完整性；CMOS的制程較簡(jiǎn)單，沒有專屬通道的設(shè)計(jì)，因此必須先行放大再整合各個(gè)畫素的資料。

CCD與CMOS電路結(jié)構(gòu)之完整比較（摘錄自SHARP月刊）差異分析整體來說，CCD與CMOS兩種設(shè)計(jì)的應(yīng)用，反應(yīng)在成像效果上，形成包括ISO感光度、制造成本、解析度、雜訊與耗電量等，不同類型的差異：ISO感光度差異：由于CMOS每個(gè)畫素包含了放大器與A/D轉(zhuǎn)換電路，過多的額外設(shè)備壓縮單一畫素的感光區(qū)域的表面積，因此在相同畫素下，同樣大小之感光器尺寸，CMOS的感光度會(huì)低于CCD?！〕杀静町悾篊MOS應(yīng)用半導(dǎo)體工業(yè)常用的MOS制程，可以一次整合全部周邊設(shè)施于單晶片中，節(jié)省加工晶片所需負(fù)擔(dān)的成本和良率的損失；相對(duì)地CCD采用電荷傳遞的方式輸出資訊，必須另辟傳輸通道，如果通道中有一個(gè)畫素故障（Fail），就會(huì)導(dǎo)致一整排的訊號(hào)壅塞，無法傳遞，因此CCD的良率比CMOS低，加上另辟傳輸通道和外加ADC等周邊，CCD的制造成本相對(duì)高于CMOS。　解析度差異：在第一點(diǎn)『感光度差異』中，由于CMOS每個(gè)畫素的結(jié)構(gòu)比CCD復(fù)雜，其感光開口不及CCD大，相對(duì)比較相同尺寸的CCD與CMOS感光器時(shí)，CCD感光器的解析度通常會(huì)優(yōu)于CMOS。不過，如果跳脫尺寸限制，目前業(yè)界的CMOS感光原件已經(jīng)可達(dá)到1400萬(wàn)畫素/全片幅的設(shè)計(jì)，CMOS技術(shù)在量率上的優(yōu)勢(shì)可以克服大尺寸感光原件制造上的困難，特別是全片幅24mm-by-36mm這樣的大小?！‰s訊差異：由于CMOS每個(gè)感光二極體旁都搭配一個(gè)ADC放大器，如果以百萬(wàn)畫素計(jì)，那么就需要百萬(wàn)個(gè)以上的ADC放大器，雖然是統(tǒng)一制造下的產(chǎn)品，但是每個(gè)放大器或多或少都有些微的差異存在，很難達(dá)到放大同步的效果，對(duì)比單一個(gè)放大器的CCD，CMOS最終計(jì)算出的雜訊就比較多。　耗電量差異：CMOS的影像電荷驅(qū)動(dòng)方式為主動(dòng)式，感光二極體所產(chǎn)生的電荷會(huì)直接由旁邊的電晶體做放大輸出；但CCD卻為被動(dòng)式，必須外加電壓讓每個(gè)畫素中的電荷移動(dòng)至傳輸通道。而這外加電壓通常需要12伏特（V）以上的水平，因此CCD還必須要有更精密的電源線路設(shè)計(jì)和耐壓強(qiáng)度，高驅(qū)動(dòng)電壓使CCD的電量遠(yuǎn)高于CMOS。其他差異：IPA（IndiviualPixelAddressing）常被使用在數(shù)位變焦放大之中，CMOS必須仰賴x,y畫面定位放大處理，否則由于個(gè)別畫素放大器之誤差，容易產(chǎn)生畫面不平整的問題。制造機(jī)具上，CCD必須特別訂制的機(jī)臺(tái)才能制造，也因此生產(chǎn)高畫素的CCD元件產(chǎn)生不出日本和美國(guó)，CMOS的生產(chǎn)一般記憶體/處理器機(jī)臺(tái)即可擔(dān)負(fù)。

FillFactorCMOS開創(chuàng)新未來CMOS完整3D透視與平面結(jié)構(gòu)，位于最上層的為MicroLens微型聚光鏡片盡管CCD在影像品質(zhì)等各方面均優(yōu)于CMOS，但不可否認(rèn)的CMOS具有低成本、低耗電以及高整合度的特性。由于數(shù)位影像的需求熱烈，CMOS的低成本和穩(wěn)定供貨，成為廠商的最愛，也因此其制造技術(shù)不斷地改良更新，使得CCD與CMOS兩者的差異逐漸縮小。新一代的CCD朝向耗電量減少作為改進(jìn)目標(biāo)，以期進(jìn)入照相手機(jī)的行動(dòng)通訊市場(chǎng)；CMOS系列，則開始朝向大尺寸面積與高速影像處理晶片統(tǒng)合，藉由后續(xù)的影像處理修正雜訊以及畫質(zhì)表現(xiàn)，特別是Canon系列的EOSD30、EOS300D的成功，足見高速影像處理晶片已經(jīng)可以勝任高畫素CMOS所產(chǎn)生的影像處理時(shí)間與能力的縮短；另外，大尺寸全片幅則以KodakDCSPro14n、DCSPro/n、DCSPro/c這一系列的數(shù)位機(jī)身為號(hào)召，CMOS未來跨足高階的影像市場(chǎng)產(chǎn)品，前景可期。