在智能制造，自動(dòng)化等設(shè)備中，離不開(kāi)機(jī)械視覺(jué)，而說(shuō)起機(jī)器視覺(jué)，一定少不了圖像傳感器。
幾十年來(lái)，CCD和CMOS技術(shù)，一直在爭(zhēng)奪圖像傳感器的優(yōu)勢(shì)。
那么這兩種傳感器有什么區(qū)別？
今天我們就來(lái)分享一下。

先給結(jié)果，再看圖說(shuō)話。

CCD VS CMOS

首先我們要明確CMOS和CCD代表啥意思。
CMOS其實(shí)是Complementary Metal Oxide Semiconductor的簡(jiǎn)稱，中文稱為互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體。
而CCD是Charge-Coupled Device的簡(jiǎn)稱，含義是電荷耦合器件。
是不是覺(jué)得很拗口？
還是CMOS和CCD更順耳。
CCD傳感器的名稱來(lái)源于捕獲圖像后如何讀取電荷。
利用特殊的制造工藝，傳感器能夠在不影響圖像質(zhì)量的情況下傳輸累積的電荷。
整個(gè)像素區(qū)域可以看著是個(gè)矩陣，每個(gè)矩陣單元就是一個(gè)像素。

01        CMOS和CCD的微觀結(jié)構(gòu)

CCD的基本感光單元，是金屬氧化物半導(dǎo)體電容器（MOS= Metal Oxide Semiconductor Capacity），它用作光電二極管和存儲(chǔ)設(shè)備。

 

典型的 CCD 器件有四層:（a）底部摻雜硼的硅襯底（Silicon Substrate）、（b）溝道停止層（Channel Stop）、（c）氧化層（Silicon Dioxide）和（d）用于控制的柵電極（Polysilicon Gate Electrode）。

當(dāng)柵極電壓高時(shí)，氧化層下方會(huì)產(chǎn)生勢(shì)能阱（Potential Well）。傳入的光子可以激發(fā)勢(shì)阱中的電子，這些電子可以被收集和引導(dǎo)，周圍的摻雜區(qū)可防止受激電子泄漏。

使用 CCD相機(jī)生成圖像，可分為四個(gè)主要階段或功能：通過(guò)光子與器件光敏區(qū)域相互作用產(chǎn)生電荷、收集和存儲(chǔ)釋放的電荷、電荷轉(zhuǎn)移和電荷測(cè)量

①信號(hào)電荷的產(chǎn)生：CCD工作過(guò)程的第一步是電荷的產(chǎn)生。CCD可以將入射光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電荷輸出，依據(jù)的是半導(dǎo)體的內(nèi)光電效應(yīng)（光伏效應(yīng)）。
②信號(hào)電荷的存儲(chǔ)：CCD工作過(guò)程的第二步是信號(hào)電荷的收集，就是將入射光子激勵(lì)出的電荷收集起來(lái)成為信號(hào)電荷包的過(guò)程。
③信號(hào)電荷的傳輸（耦合）：CCD工作過(guò)程的第三步是信號(hào)電荷包的轉(zhuǎn)移，就是將所收集起來(lái)的電荷包從一個(gè)像元轉(zhuǎn)移到下一個(gè)像元，直到全部電荷包輸出完成的過(guò)程。
④信號(hào)電荷的檢測(cè)：CCD工作過(guò)程的第四步是電荷的檢測(cè)，就是將轉(zhuǎn)移到輸出級(jí)的電荷轉(zhuǎn)化為電流或者電壓的過(guò)程。

這個(gè)過(guò)程可以用下面的動(dòng)畫來(lái)表示。

CCD中電荷轉(zhuǎn)移示意圖

CCD中電荷轉(zhuǎn)移示意圖

CMOS微觀結(jié)構(gòu)示意圖

CMOS微觀結(jié)構(gòu)：和CCD最大的區(qū)別在于電荷的傳輸方式不同，CMOS使用金屬導(dǎo)線傳遞

CMOS像元工作示意圖。傳感器像素（一個(gè)反向偏置的二極管）連接到讀出芯片中的像素電子元件

CMOS像元工作示意圖

02       CMOS和CCD傳感器工作原理

先來(lái)兩張外觀圖，感覺(jué)一下CMOS和CCD長(zhǎng)什么樣。

CMOS外觀圖；包含像元，數(shù)字邏輯電路，信號(hào)處理器，時(shí)鐘控制器等

CCD外觀圖：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時(shí)鐘控制器， 還有輸出放大器等

把這兩種傳感器抽象一下，有下面這兩張電路圖。

CCD傳感器電路圖：電壓轉(zhuǎn)換必須在電荷傳送到水平移位寄存器后

CMOS傳感器示意圖：各個(gè)像元內(nèi)包含感光元件和電壓轉(zhuǎn)換器，可以在像元內(nèi)把光子轉(zhuǎn)換成電壓

忽略電路板部分，只關(guān)注感光部分，有如下的示意圖。

CCD傳感器示意圖

CCD本質(zhì)上是一個(gè)大陣列的半導(dǎo)體“桶”，可以將傳入的光子轉(zhuǎn)換為電子并保持累積的電荷。這些電荷，可以被垂直移位寄存器，向下轉(zhuǎn)移到水平移位寄存器，水平移位寄存器以將電荷轉(zhuǎn)換為電壓并輸出。

CMOS傳感器示意圖

互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體設(shè)計(jì)不是傳輸電荷桶，而是立即將電荷轉(zhuǎn)換為電壓，并在微線上輸出電壓。

CMOS圖像傳感器工作示意圖

CCD在過(guò)程結(jié)束時(shí)將電荷轉(zhuǎn)換為電壓，而CMOS傳感器則在開(kāi)始時(shí)執(zhí)行此轉(zhuǎn)換（因?yàn)楦飨裨獌?nèi)包含電壓轉(zhuǎn)換器）。然后可以通過(guò)緊湊、節(jié)能的微型電線輸出電壓。

CMOS圖像傳感器工作示意圖，每個(gè)像元獨(dú)立產(chǎn)生電壓，可迅速輸出

CCD圖像傳感器工作示意圖

在各個(gè)光電傳感器中累積電荷后，它們會(huì)同時(shí)傳輸?shù)酱怪币莆患拇嫫髦?，在此寄存器中電荷向下垂直移?dòng)并穿過(guò)水平寄存器。最后，電荷被轉(zhuǎn)換為電壓并被放大。

全幅CCD圖像傳感器工作示意圖

全幅CCD是結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的傳感器，可以以非常高的分辨率生產(chǎn)。它們只有一個(gè)單線傳輸寄存器作為緩沖器，不能通過(guò)傳感器控制設(shè)置快門速度。因此，傳感器必須位于機(jī)械快門后面，因?yàn)楣饷魝鞲衅鞅砻嬷荒茉谄毓鈺r(shí)間內(nèi)暴露在光線下。全幅CCD主要用于科學(xué)和天文學(xué)中的攝影目的。

行間傳輸CCD圖像傳感器工作示意圖

在曝光時(shí)間結(jié)束時(shí)，來(lái)自傳感器單元的電荷同時(shí)傳輸?shù)剿邢袼氐闹虚g存儲(chǔ)器，并通過(guò)垂直和水平位移從那里讀出。行間傳輸CCD的優(yōu)勢(shì)在于它們可以快速、完全地從傳感器單元接收?qǐng)D像信息，中間存儲(chǔ)不需要機(jī)械鎖。這種設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)是，傳感器的填充系數(shù)較低，這會(huì)導(dǎo)致對(duì)光的敏感度降低，或在低光下更容易產(chǎn)生噪音。

幀傳輸CCD工作示意圖

曝光后，存儲(chǔ)的圖像或單元中的電荷會(huì)非常迅速地轉(zhuǎn)移到轉(zhuǎn)移寄存器中。然后以與全幀 CCD相同的方式從傳輸寄存器讀取電荷。

幀間行傳輸CCD工作示意圖

結(jié)合了行間和全幅CCD原理。通過(guò)這種結(jié)構(gòu)，有源傳感器單元的電荷可以非?？焖俚貍鬏?shù)街虚g存儲(chǔ)單元，并從那里同樣快速地傳輸?shù)酵耆煌腹獾膫鬏敿拇嫫鳌?br />
關(guān)于CCD工作原理，有一個(gè)經(jīng)典的區(qū)域雨水測(cè)量比喻。

CCD串行讀出方式，可以用桶旅測(cè)量區(qū)域雨量來(lái)示意。其中落在桶陣列上的降雨強(qiáng)度可能因地而異，與成像傳感器上的入射光子相似，如圖（a）。

這些桶在積分期間收集了不同數(shù)量的信號(hào)（水），桶在傳送帶上向代表串行寄存器（Serial Bucket Array）的一排空桶傳送。在圖（b），一整排存儲(chǔ)桶被并行移動(dòng)到串行寄存器的存儲(chǔ)庫(kù)中。串行移位和讀出操作如圖（c）所示，其中描繪了每個(gè)桶中累積的雨水被順序轉(zhuǎn)移到校準(zhǔn)的測(cè)量容器中，這類似于CCD輸出放大器。當(dāng)串行傳送帶上所有容器的內(nèi)容物按順序測(cè)量完畢后，另一列并行班次（Parallel Register Shift）將下一行收集桶的內(nèi)容物轉(zhuǎn)移到串行記錄容器中，重復(fù)該過(guò)程，直到每個(gè)桶（像素）的內(nèi)容物都測(cè)量完畢。

下面這個(gè)動(dòng)畫，示意這個(gè)有趣的過(guò)程，注意，實(shí)際是一桶一桶地測(cè)量。

CCD雨量比喻示意圖

03        結(jié)論

有了前面的了解，我們就直接給出結(jié)論了。

CCD和CMOS傳感器之間的主要區(qū)別在于處理每個(gè)像素的方式：CCD將光生電荷從一個(gè)像素移動(dòng)到另一個(gè)像素，并在輸出節(jié)點(diǎn)將其轉(zhuǎn)換為電壓。CMOS成像器，在每個(gè)像素上使用多個(gè)晶體管，將每個(gè)像素內(nèi)的電荷轉(zhuǎn)換為電壓，以使用更傳統(tǒng)的導(dǎo)線放大和移動(dòng)電荷。

CCD和CMOS傳感器的區(qū)別：CCD像元產(chǎn)生的電荷，需要先寄存在垂直寄存器中，然后分行傳送到水平寄存器，最后單獨(dú)依次測(cè)量每個(gè)像元的電荷并放大輸出信號(hào)。而CMOS傳感器，則可以在每個(gè)像元中產(chǎn)生電壓，然后通過(guò)金屬線，傳送到放大器輸出，速度更快。

CCD將光生電荷從一個(gè)像素移動(dòng)到另一個(gè)像素，并在輸出節(jié)點(diǎn)將其轉(zhuǎn)換為電壓。CMOS成像器，在每個(gè)像素上使用多個(gè)晶體管，將每個(gè)像素內(nèi)的電荷轉(zhuǎn)換為電壓，以使用更傳統(tǒng)的導(dǎo)線放大和移動(dòng)電荷。

CMOS VS CCD

CCD VS CMOS

CMOS比CCD有一些明顯的優(yōu)勢(shì)：

CMOS 傳感器具有比 CCD 更快的數(shù)據(jù)檢索速度。在 CMOS中，每個(gè)像素都單獨(dú)放大，而不是在 CCD 中的公共端節(jié)點(diǎn)處理數(shù)據(jù)。這意味著每個(gè)像素都有自己的放大器，處理器消耗的噪聲可以在像素級(jí)調(diào)低，然后放大以獲得更高的清晰度，而不是在端節(jié)點(diǎn)一次性放大每個(gè)像素的原始數(shù)據(jù)。

CMOS 傳感器更節(jié)能且生產(chǎn)成本更低。它們可以通過(guò)重新利用現(xiàn)有的半導(dǎo)體來(lái)構(gòu)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(zhì)量?jī)?yōu)于CMOS傳感器。然而，CMOS傳感器在功耗和價(jià)格等方面優(yōu)于CCD傳感器。