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。