CMOS和CCD图像传感器有什么区别？9张动画来说明

先给结果，再看图说话。

CCD VS CMOS

首先我们要明确CMOS和CCD代表啥意思。
CMOS其实是Complementary Metal Oxide Semiconductor的简称，中文称为互补金属氧化物半导体。
而CCD是Charge-Coupled Device的简称，含义是电荷耦合器件。
是不是觉得很拗口？
还是CMOS和CCD更顺耳。
CCD传感器的名称来源于捕获图像后如何读取电荷。
利用特殊的制造工艺，传感器能够在不影响图像质量的情况下传输累积的电荷。
整个像素区域可以看着是个矩阵，每个矩阵单元就是一个像素。

01        CMOS和CCD的微观结构

CCD的基本感光单元，是金属氧化物半导体电容器（MOS= Metal Oxide Semiconductor Capacity），它用作光电二极管和存储设备。

典型的 CCD 器件有四层:（a）底部掺杂硼的硅衬底（Silicon Substrate）、（b）沟道停止层（Channel Stop）、（c）氧化层（Silicon Dioxide）和（d）用于控制的栅电极（Polysilicon Gate Electrode）。

当栅极电压高时，氧化层下方会产生势能阱（Potential Well）。传入的光子可以激发势阱中的电子，这些电子可以被收集和引导，周围的掺杂区可防止受激电子泄漏。

使用 CCD相机生成图像，可分为四个主要阶段或功能：通过光子与器件光敏区域相互作用产生电荷、收集和存储释放的电荷、电荷转移和电荷测量

①信号电荷的产生：CCD工作过程的第一步是电荷的产生。CCD可以将入射光信号转换为电荷输出，依据的是半导体的内光电效应（光伏效应）。
②信号电荷的存储：CCD工作过程的第二步是信号电荷的收集，就是将入射光子激励出的电荷收集起来成为信号电荷包的过程。
③信号电荷的传输（耦合）：CCD工作过程的第三步是信号电荷包的转移，就是将所收集起来的电荷包从一个像元转移到下一个像元，直到全部电荷包输出完成的过程。
④信号电荷的检测：CCD工作过程的第四步是电荷的检测，就是将转移到输出级的电荷转化为电流或者电压的过程。

这个过程可以用下面的动画来表示。

CCD中电荷转移示意图

CCD中电荷转移示意图

CMOS微观结构示意图

CMOS微观结构：和CCD最大的区别在于电荷的传输方式不同，CMOS使用金属导线传递

CMOS像元工作示意图。传感器像素（一个反向偏置的二极管）连接到读出芯片中的像素电子元件

CMOS像元工作示意图

02       CMOS和CCD传感器工作原理

先来两张外观图，感觉一下CMOS和CCD长什么样。

CMOS外观图；包含像元，数字逻辑电路，信号处理器，时钟控制器等

CCD外观图：包含水平和垂直移位寄存器，以及用于水平和垂直移位寄存器的时钟控制器， 还有输出放大器等

把这两种传感器抽象一下，有下面这两张电路图。

CCD传感器电路图：电压转换必须在电荷传送到水平移位寄存器后

CMOS传感器示意图：各个像元内包含感光元件和电压转换器，可以在像元内把光子转换成电压

忽略电路板部分，只关注感光部分，有如下的示意图。

CCD传感器示意图

CCD本质上是一个大阵列的半导体“桶”，可以将传入的光子转换为电子并保持累积的电荷。这些电荷，可以被垂直移位寄存器，向下转移到水平移位寄存器，水平移位寄存器以将电荷转换为电压并输出。

CMOS传感器示意图

互补金属氧化物半导体设计不是传输电荷桶，而是立即将电荷转换为电压，并在微线上输出电压。

CMOS图像传感器工作示意图

CCD在过程结束时将电荷转换为电压，而CMOS传感器则在开始时执行此转换（因为各像元内包含电压转换器）。然后可以通过紧凑、节能的微型电线输出电压。

CMOS图像传感器工作示意图，每个像元独立产生电压，可迅速输出

CCD图像传感器工作示意图

在各个光电传感器中累积电荷后，它们会同时传输到垂直移位寄存器中，在此寄存器中电荷向下垂直移动并穿过水平寄存器。最后，电荷被转换为电压并被放大。

全幅CCD图像传感器工作示意图

全幅CCD是结构最简单的传感器，可以以非常高的分辨率生产。它们只有一个单线传输寄存器作为缓冲器，不能通过传感器控制设置快门速度。因此，传感器必须位于机械快门后面，因为光敏传感器表面只能在曝光时间内暴露在光线下。全幅CCD主要用于科学和天文学中的摄影目的。

行间传输CCD图像传感器工作示意图

在曝光时间结束时，来自传感器单元的电荷同时传输到所有像素的中间存储器，并通过垂直和水平位移从那里读出。行间传输CCD的优势在于它们可以快速、完全地从传感器单元接收图像信息，中间存储不需要机械锁。这种设计的缺点是，传感器的填充系数较低，这会导致对光的敏感度降低，或在低光下更容易产生噪音。

帧传输CCD工作示意图

曝光后，存储的图像或单元中的电荷会非常迅速地转移到转移寄存器中。然后以与全帧 CCD相同的方式从传输寄存器读取电荷。

帧间行传输CCD工作示意图

结合了行间和全幅CCD原理。通过这种结构，有源传感器单元的电荷可以非常快速地传输到中间存储单元，并从那里同样快速地传输到完全不透光的传输寄存器。

关于CCD工作原理，有一个经典的区域雨水测量比喻。

CCD串行读出方式，可以用桶旅测量区域雨量来示意。其中落在桶阵列上的降雨强度可能因地而异，与成像传感器上的入射光子相似，如图（a）。

这些桶在积分期间收集了不同数量的信号（水），桶在传送带上向代表串行寄存器（Serial Bucket Array）的一排空桶传送。在图（b），一整排存储桶被并行移动到串行寄存器的存储库中。串行移位和读出操作如图（c）所示，其中描绘了每个桶中累积的雨水被顺序转移到校准的测量容器中，这类似于CCD输出放大器。当串行传送带上所有容器的内容物按顺序测量完毕后，另一列并行班次（Parallel Register Shift）将下一行收集桶的内容物转移到串行记录容器中，重复该过程，直到每个桶（像素）的内容物都测量完毕。

下面这个动画，示意这个有趣的过程，注意，实际是一桶一桶地测量。

CCD雨量比喻示意图

03        结论

有了前面的了解，我们就直接给出结论了。

CCD和CMOS传感器之间的主要区别在于处理每个像素的方式：CCD将光生电荷从一个像素移动到另一个像素，并在输出节点将其转换为电压。CMOS成像器，在每个像素上使用多个晶体管，将每个像素内的电荷转换为电压，以使用更传统的导线放大和移动电荷。

CCD和CMOS传感器的区别：CCD像元产生的电荷，需要先寄存在垂直寄存器中，然后分行传送到水平寄存器，最后单独依次测量每个像元的电荷并放大输出信号。而CMOS传感器，则可以在每个像元中产生电压，然后通过金属线，传送到放大器输出，速度更快。

CCD将光生电荷从一个像素移动到另一个像素，并在输出节点将其转换为电压。CMOS成像器，在每个像素上使用多个晶体管，将每个像素内的电荷转换为电压，以使用更传统的导线放大和移动电荷。

CMOS VS CCD

CCD VS CMOS

CMOS比CCD有一些明显的优势：

CMOS 传感器具有比 CCD 更快的数据检索速度。在 CMOS中，每个像素都单独放大，而不是在 CCD 中的公共端节点处理数据。这意味着每个像素都有自己的放大器，处理器消耗的噪声可以在像素级调低，然后放大以获得更高的清晰度，而不是在端节点一次性放大每个像素的原始数据。

CMOS 传感器更节能且生产成本更低。它们可以通过重新利用现有的半导体来构建。与CCD中的高压模拟电路相比，这些也使用更少的功率。

CCD传感器的图像质量优于CMOS传感器。然而，CMOS传感器在功耗和价格等方面优于CCD传感器。