CCD与CMOS影像感光元件结构透视与分析
关键词：
ccd , cmos , 感光元件 , 影像
ccd和cmos感光元件的区别mr.oh!在第二讲中概略地介绍了ccd与cmos，但对于大多数的同学来说，看得到的却是一颗颗已经整合好的芯片组合！内部详细的结构，以及到底是如何运作产生我们看到的一幅幅数位照片，且我们撇开复杂的技术文字，透过图片比较，来看这两种不同类型，作用却又相同的影像感光元件.
olympuse1ccd感光套件（包含超音波除尘器）放大器位置和数量比较ccd和cmos的结构，放大器的位置和数量是最大的不同之处，mr.oh!会在下一讲ccd感光元件工作原理（上），提及完整的感光元件作业流程。此讲中，mr.oh!简单地解释：ccd每曝光一次，自快门关闭或是内部时脉自动断线（电子快门）后，即进行画素转移处理，将每一行中每一个画素（pixel）的电荷信号依序传入‘缓冲器（电荷储存器）’中，由底端的线路导引输出至ccd旁的放大器进行放大，再串联adc（类比数位资料转换器）输出；相对地，cmos的设计中每个画素旁就直接连着‘放大器’，光电讯号可直接放大再经由bus通路移动至adc中转换成数位资料。ccd与cmos的比较
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），透过每一个画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画素的资料。
ccd与cmos电路结构之完整比较（摘录自sharp月刊）差异分析整体来说，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、分辨率、杂讯与耗电量等，不同类型的差异：iso感光度差异：由于cmos每个画素包含了放大器与a/d转换电路，过多的额外设备压缩单一画素的感光区域的表面积，因此在相同画素下，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芯片中，节省加工芯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，如果通道中有一个画素故障（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。 分辨率差异：在第一点‘感光度差异’中，由于cmos每个画素的结构比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感光器的分辨率通常会优于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1400万画素/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。 杂讯差异：由于cmos每个感光二极体旁都搭配一个adc放大器，如果以百万画素计，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最终计算出的杂讯就比较多。 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画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。其他差异：ipa（indiviualpixeladdressing）常被使用在数位变焦放大之中，cmos必须仰赖x,y画面定位放大处理，否则由于个别画素放大器之误差，容易产生画面不平整的问题。制造机具上，ccd必须特别订制的机台才能制造，也因此生产高画素的ccd元件产生不出日本和美国，cmos的生产一般记忆体/处理器机台即可担负。
fillfactorcmos开创新未来cmos完整3d透视与平面结构，位于最上层的为microlens微型聚光镜片尽管ccd在影像品质等各方面均优于cmos，但不可否认的cmos具有低成本、低耗电以及高整合度的特性。由于数位影像的需求热烈，cmos的低成本和稳定供货，成为厂商的最爱，也因此其制造技术不断地改良更新，使得ccd与cmos两者的差异逐渐缩小。新一代的ccd朝向耗电量减少作为改进目标，以期进入照相手机的行动通讯市场；cmos系列，则开始朝向大尺寸面积与高速影像处理芯片统合，借由后续的影像处理修正杂讯以及画质表现，特别是canon系列的eosd30、eos300d的成功，足见高速影像处理芯片已经可以胜任高画素cmos所产生的影像处理时间与能力的缩短；另外，大尺寸全片幅则以kodakdcspro14n、dcspro/n、dcspro/c这一系列的数位机身为号召，cmos未来跨足高阶的影像市场产品，前景可期。
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ccd和cmos感光元件的区别mr.oh!在第二讲中概略地介绍了ccd与cmos，但对于大多数的同学来说，看得到的却是一颗颗已经整合好的芯片组合！内部详细的结构，以及到底是如何运作产生我们看到的一幅幅数位照片，且我们撇开复杂的技术文字，透过图片比较，来看这两种不同类型，作用却又相同的影像感光元件.
olympuse1ccd感光套件（包含超音波除尘器）放大器位置和数量比较ccd和cmos的结构，放大器的位置和数量是最大的不同之处，mr.oh!会在下一讲ccd感光元件工作原理（上），提及完整的感光元件作业流程。此讲中，mr.oh!简单地解释：ccd每曝光一次，自快门关闭或是内部时脉自动断线（电子快门）后，即进行画素转移处理，将每一行中每一个画素（pixel）的电荷信号依序传入‘缓冲器（电荷储存器）’中，由底端的线路导引输出至ccd旁的放大器进行放大，再串联adc（类比数位资料转换器）输出；相对地，cmos的设计中每个画素旁就直接连着‘放大器’，光电讯号可直接放大再经由bus通路移动至adc中转换成数位资料。ccd与cmos的比较
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），透过每一个画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画素的资料。
ccd与cmos电路结构之完整比较（摘录自sharp月刊）差异分析整体来说，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、分辨率、杂讯与耗电量等，不同类型的差异：iso感光度差异：由于cmos每个画素包含了放大器与a/d转换电路，过多的额外设备压缩单一画素的感光区域的表面积，因此在相同画素下，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芯片中，节省加工芯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，如果通道中有一个画素故障（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。 分辨率差异：在第一点‘感光度差异’中，由于cmos每个画素的结构比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感光器的分辨率通常会优于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1400万画素/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。 杂讯差异：由于cmos每个感光二极体旁都搭配一个adc放大器，如果以百万画素计，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最终计算出的杂讯就比较多。 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画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。其他差异：ipa（indiviualpixeladdressing）常被使用在数位变焦放大之中，cmos必须仰赖x,y画面定位放大处理，否则由于个别画素放大器之误差，容易产生画面不平整的问题。制造机具上，ccd必须特别订制的机台才能制造，也因此生产高画素的ccd元件产生不出日本和美国，cmos的生产一般记忆体/处理器机台即可担负。
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