CMOS和CCD圖像傳感器有什麽區別？在智能制造，自動化等設備中，離不開機械視覺，而說起機器視覺，壹定少不了圖像傳感器。幾十年來，CCD和CMOS技術，壹直在爭奪圖像傳感器的優勢。那麽這兩種傳感器有什麽區別？今天我們就來分享壹下。
CCD VS CMOS
首先我們要明確CMOS和CCD代表啥意思。
CMOS其實是Complementary Metal Oxide Semiconductor的簡稱，中文稱為互補金屬氧化物半導體。而CCD是Charge-Coupled Device的簡稱，含義是電荷耦合器件。是不是覺得很拗口？還是CMOS和CCD更順耳。
CCD傳感器的名稱來源於捕獲圖像後如何讀取電荷。利用特殊的制造工藝，傳感器能夠在不影響圖像質量的情況下傳輸累積的電荷。整個像素區域可以看作是個矩陣，每個矩陣單元就是壹個像素。
01、CMOS和CCD的微觀結構
CCD的基本感光單元，是金屬氧化物半導體電容器（MOS= Metal Oxide Semiconductor Capacity），它用作光電二極管和存儲設備。
典型的CCD器件有四層：（a）底部摻雜硼的矽襯底（Silicon Substrate）、（b）溝道停止層（Channel Stop）、（c）氧化層（Silicon Dioxide）和（d）用於控制的柵電極（Polysilicon Gate Electrode）。當柵極電壓高時，氧化層下方會產生勢能阱（Potential Well）。傳入的光子可以激發勢阱中的電子，這些電子可以被收集和引導，周圍的摻雜區可防止受激電子泄漏。
使用CCD相機生成圖像，可分為四個主要階段或功能：通過光子與器件光敏區域相互作用產生電荷、收集和存儲釋放的電荷、電荷轉移和電荷測量。
①信號電荷的產生：CCD工作過程的第壹步是電荷的產生。CCD可以將入射光信號轉換為電荷輸出，依據的是半導體的內光電效應（光伏效應）。
②信號電荷的存儲：CCD工作過程的第二步是信號電荷的收集，就是將入射光子激勵出的電荷收集起來成為信號電荷包的過程。
③信號電荷的傳輸（耦合）：CCD工作過程的第三步是信號電荷包的轉移，就是將所收集起來的電荷包從壹個像元轉移到下壹個像元，直到全部電荷包輸出完成的過程。
④信號電荷的檢測：CCD工作過程的第四步是電荷的檢測，就是將轉移到輸出級的電荷轉化為電流或者電壓的過程。
CMOS微觀結構：和CCD最大的區別在於電荷的傳輸方式不同，CMOS使用金屬導線傳遞。CMOS像元工作示意圖。傳感器像素（壹個反向偏置的二極管）連接到讀出芯片中的像素電子元件。
02、CMOS和CCD傳感器工作原理
CMOS外觀：包含像元，數字邏輯電路，信號處理器，時鐘控制器等。
CCD外觀：包含水平和垂直移位寄存器，以及用於水平和垂直移位寄存器的時鐘控制器，還有輸出放大器等。把這兩種傳感器抽象壹下，有下面這兩張電路圖。
CCD傳感器示意圖。CCD本質上是壹個大陣列的半導體“桶”，可以將傳入的光子轉換為電子並保持累積的電荷。這些電荷，可以被垂直移位寄存器，向下轉移到水平移位寄存器，水平移位寄存器可以將電荷轉換為電壓並輸出。
CMOS傳感器示意圖。互補金屬氧化物半導體設計不是傳輸電荷桶，而是立即將電荷轉換為電壓，並在微線上輸出電壓。
CMOS圖像傳感器工作示意圖。CCD在過程結束時將電荷轉換為電壓，而CMOS傳感器則在開始時執行此轉換（因為各像元內包含電壓轉換器）。然後可以通過緊湊、節能的微型電線輸出電壓。
全幅CCD是結構最簡單的傳感器，可以以非常高的分辨率生產。它們只有壹個單線傳輸寄存器作為緩沖器，不能通過傳感器控制設置快門速度。因此，傳感器必須位於機械快門後面，因為光敏傳感器表面只能在曝光時間內暴露在光線下。全幅CCD主要用於科學和天文學中的攝影目的。
在曝光時間結束時，來自傳感器單元的電荷同時傳輸到所有像素的中間存儲器，並通過垂直和水平位移從那裏讀出。行間傳輸CCD的優勢在於它們可以快速、完全地從傳感器單元接收圖像信息，中間存儲不需要機械鎖。這種設計的缺點是，傳感器的填充系數較低，這會導致對光的敏感度降低，或在低光下更容易產生噪聲。
曝光後，存儲的圖像或單元中的電荷會非常迅速地轉移到轉移寄存器中。然後以與全幀CCD相同的方式從傳輸寄存器讀取電荷。
結合了行間和全幅CCD原理。通過這種結構，有源傳感器單元的電荷可以非常快速地傳輸到中間存儲單元，並從那裏同樣快速地傳輸到完全不透光的傳輸寄存器。關於CCD工作原理，有壹個經典的區域雨水測量比喻。
CCD串行讀出方式，可以用桶旅測量區域雨量來示意。其中落在桶陣列上的降雨強度可能因地而異，與成像傳感器上的入射光子相似，這些桶在積分期間收集了不同數量的信號（水），桶在傳送帶上向代表串行寄存器（Serial Bucket Array）的壹排空桶傳送。壹整排存儲桶被並行移動到串行寄存器的存儲庫中。
串行移位和讀出操作，其中描繪了每個桶中累積的雨水被順序轉移到校準的測量容器中，這類似於CCD輸出放大器。當串行傳送帶上所有容器的內容物按順序測量完畢後，另壹列並行班次（Parallel Register Shift）將下壹行收集桶的內容物轉移到串行記錄容器中，重復該過程，直到每個桶（像素）的內容物都測量完畢。
03、結論
有了前面的了解，我們就直接給出結論了。CCD和CMOS傳感器之間的主要區別在於處理每個像素的方式：CCD將光生電荷從壹個像素移動到另壹個像素，並在輸出節點將其轉換為電壓。CMOS成像器，在每個像素上使用多個晶體管，將每個像素內的電荷轉換為電壓，以使用更傳統的導線放大和移動電荷。
CCD和CMOS傳感器的區別：CCD像元產生的電荷，需要先寄存在垂直寄存器中，然後分行傳送到水平寄存器，最後單獨依次測量每個像元的電荷並放大輸出信號。而CMOS傳感器，則可以在每個像元中產生電壓，然後通過金屬線，傳送到放大器輸出，速度更快。
CCD將光生電荷從壹個像素移動到另壹個像素，並在輸出節點將其轉換為電壓。CMOS成像器，在每個像素上使用多個晶體管，將每個像素內的電荷轉換為電壓，以使用更傳統的導線放大和移動電荷。
CCDVSCMOS。
CMOS比CCD有壹些明顯的優勢：
CMOS傳感器具有比CCD更快的數據檢索速度。在CMOS中，每個像素都單獨放大，而不是在CCD中的公***端節點處理數據。這意味著每個像素都有自己的放大器，處理器消耗的噪聲可以在像素級調低，然後放大以獲得更高的清晰度，而不是在端節點壹次性放大每個像素的原始數據。
CMOS傳感器更節能且生產成本更低。它們可以通過重新利用現有的半導體來構建。與CCD中的高壓模擬電路相比，這些也使用更少的功率。CCD傳感器的圖像質量優於CMOS傳感器。然而，CMOS傳感器在功耗和價格等方面優於CCD傳感器。
壹文讀懂CMOS圖像傳感器
1873年，科學家約瑟·美（Joseph May）及偉洛比·史密夫（WilloughbySmith）就發現了硒元素結晶體感光後能產生電流，由此，電子影像發展開始，隨著技術演進，圖像傳感器性能逐步提升。1.20世紀50年代——光學倍增管（Photo Multiplier Tube，簡稱PMT）出現。2.1965年—1970年，IBM、Fairchild等企業開發光電以及雙極二極管陣列。3.1970年，CCD圖像傳感器在Bell實驗室發明，依靠其高量子效率、高靈敏度、低暗電流、高壹致性、低噪音等性能，成為圖像傳感器市場的主導。4.90年代末，步入CMOS時代。
國際空間站使用CCD相機
1.1997年，卡西尼國際空間站使用CCD相機（廣角和窄角）。
2.美國宇航局局長丹尼爾戈爾丁稱贊CCD相機“更快，更好，更便宜”；聲稱在未來的航天器上減少質量，功率，成本，都需要小型化相機。而電子集成便是小型化的良好途徑，而基於MOS的圖像傳感器便擁有無源像素和有源像素（3T）的配置。
圖像傳感器的歷史沿革——CMOS圖像傳感器
1.CMOS圖像傳感器使得“芯片相機”成為可能，相機小型化趨勢明顯。
2.2007年，Siimpel AF相機模型的出現標誌著相機小型化重大突破。
3.芯片相機的崛起為多個領域（車載，軍工航天、醫療、工業制造、移動攝影、安防）等領域的技術創新提供了新機遇。
CMOS圖像傳感器走向商業化
1.1995年2月，Photobit公司成立，將CMOS圖像傳感器技術實現商業化。
2.1995-2001年間，Photobit增長到約135人，主要包括：私營企業自籌資金的定制設計合同、SBIR計劃的重要支持（NASA/DoD）、戰略業務合作夥伴的投資，這期間***提交了100多項新專利申請。
3.CMOS圖像傳感器經商業化後，發展迅猛，應用前景廣闊，逐步取代CCD成為新潮流。
CMOS圖像傳感器的廣泛應用
2001年11月，Photobit被美光科技公司收購並獲得許可回歸加州理工學院。與此同時，到2001年，已有數十家競爭對手嶄露頭角，例如Toshiba，STMicro，Omnivision，CMOS圖像傳感器業務部分歸功於早期的努力促進技術成果轉化。後來，索尼和三星分別成為現在全球市場排名第壹，第二。後來，Micron剝離了Aptina，Aptina被ON Semi收購，目前排名第4。CMOS傳感器逐漸成為攝影領域主流，並廣泛應用於多種場合。
CMOS圖像傳感器發展歷程
70年代：Fairchild，80年代：Hitachi，80年代初期：Sony，1971年：發明FDA&CDS技術。80年中葉：在消費市場上實現重大突破；1990年：NHK/Olympus，放大MOS成像儀（AMI)，即CIS，1993年：JPL,CMOS有源像素傳感器，1998年：單芯片相機，2005年後：CMOS圖像傳感器成為主流。
CMOS圖像傳感器技術簡介
CMOS圖像傳感器
CMOS圖像傳感器（CIS）是模擬電路和數字電路的集成。主要由四個組件構成：微透鏡、彩色濾光片（CF）、光電二極管（PD）、像素設計。
1.微透鏡：具有球形表面和網狀透鏡；光通過微透鏡時，CIS的非活性部分負責將光收集起來並將其聚焦到彩色濾光片。
2.彩色濾光片（CF）：拆分反射光中的紅、綠、藍（RGB）成分，並通過感光元件形成拜爾陣列濾鏡。
3.光電二極管（PD）：作為光電轉換器件，捕捉光並轉換成電流；壹般采用PIN二極管或PN結器件制成。
4.像素設計：通過CIS上裝配的有源像素傳感器（APS）實現。APS常由3至6個晶體管構成，可從大型電容陣列中獲得或緩沖像素，並在像素內部將光電流轉換成電壓，具有較完美的靈敏度水平和的噪聲指標。
Bayer陣列濾鏡與像素
1.感光元件上的每個方塊代表壹個像素塊，上方附著著壹層彩色濾光片（CF），CF拆分完反射光中的RGB成分後，通過感光元件形成拜爾陣列濾鏡。經典的Bayer陣列是以2x2***四格分散RGB的方式成像，Quad Bayer陣列擴大到了4x4，並且以2x2的方式將RGB相鄰排列。公眾號《機械工程文萃》，工程師的加油站！
2.像素，即亮光或暗光條件下的像素點數量，是數碼顯示的基本單位，其實質是壹個抽象的取樣，我們用彩色方塊來表示。
3.圖示像素用R（紅）G（綠）B（藍）三原色填充，每個小像素塊的長度指的是像素尺寸，圖示尺寸為0.8μm。
Bayer陣列濾鏡與像素
濾鏡上每個小方塊與感光元件的像素塊對應，也就是在每個像素前覆蓋了壹個特定的顏色濾鏡。比如紅色濾鏡塊，只允許紅色光線投到感光元件上，那麽對應的這個像素塊就只反映紅色光線的信息。隨後還需要後期色彩還原去猜色，最後形成壹張完整的彩色照片。感光元件→Bayer濾鏡→色彩還原，這壹整套流程，就叫做Bayer陣列。
前照式（FSI）與背照式（BSI）
早期的CIS采用的是前面照度技術FSI（FRONT-SIDE ILLUMINATED），拜爾陣列濾鏡與光電二極管（PD）間夾雜著金屬（鋁，銅）區，大量金屬連線的存在對進入傳感器表面的光線存在較大的幹擾，阻礙了相當壹部分光線進入到下壹層的光電二極管（PD），信噪比較低。技術改進後，在背面照度技術BSI（FRONT-SIDE ILLUMINATED）的結構下，金屬（鋁，銅）區轉移到光電二極管（PD）的背面，意味著經拜爾陣列濾鏡收集的光線不再眾多金屬連線阻擋，光線得以直接進入光電二極管；BSI不僅可大幅度提高信噪比，且可配合更復雜、更大規模電路來提升傳感器讀取速度。
CIS參數——幀率
幀率（Frame rate）：以幀為單位的位圖圖像連續出現在顯示器上的頻率，即每秒能顯示多少張圖片。而想要實現高像素CIS的設計，很重要的壹點就是Analog電路設計，像素上去了，沒有匹配的高速讀出和處理電路，便無辦法以高幀率輸出出來。
索尼早於2007年chuan'gan發布了首款Exmor傳感器。Exmor傳感器在每列像素下方布有獨立的ADC模數轉換器，這意味著在CIS芯片上即可完成模數轉換，有效減少了噪聲，大大提高了讀取速度，也簡化了PCB設計。
CMOS圖像傳感器的應用
CMOS圖像傳感器全球市場規模
2017年為CMOS圖像傳感器高增長點，同比增長達到20%。2018年，全球CIS市場規模155億美元，預計2019年同比增長10%，達到170億美元。目前，CIS市場正處於穩定增長期，預計2024年市場逐漸飽和，市場規模達到240億美元。
CIS應用——車載領域
1.車載領域的CIS應用包括：後視攝像（RVC)，全方位視圖系統（SVS)，攝像機監控系統（CMS），FV/MV，DMS/IMS系統。
2.汽車圖像傳感器全球銷量呈逐年增長趨勢。
3.後視攝像（RVC）是銷量主力軍，呈穩定增長趨勢，2016年全球銷量為5100萬臺，2018年為6000萬臺，2019年達到6500萬臺，2020年超過7000萬臺。
4.FV/MV全球銷量增長迅速，2016年為1000萬臺，2018年為3000萬臺，此後，預計FV/MV將依舊保持迅速增長趨勢，019年銷量4000萬臺，2021達7500萬臺，直逼RVC全球銷量。
車載領域——HDR技術方法
1.HDR解決方案，即高動態範圍成像，是用來實現比普通數位圖像技術更大曝光動態範圍。
2.時間復用。相同的像素陣列通過使用多個卷簾（交錯HDR）來描繪多個邊框。好處：HDR方案是與傳統傳感器兼容的最簡單的像素技術。缺點：不同時間發生的捕獲導致產生運動偽影。
3.空間復用。單個像素陣列幀被分解為多個，通過不同的方法捕獲：1.像素或行級別的獨立曝光控制。優點：單幀中的運動偽影比交錯的運動偽影少。缺點：分辨率損失，且運動偽影仍然存在邊緣。2.每個像素***用同壹微透鏡的多個光電二極管。優點：在單個多捕獲幀中沒有運動偽影；缺點：從等效像素區域降低靈敏度。
4.非常大的全井產能。