圖像傳感器包括CCD與CMOS兩種。其中，CCD是“電荷耦合器件”(Charge Coupled Device)的簡稱，CMOS是“互補金屬氧化物半導體”(Complementary Metal Oxide Semiconductor)的簡稱。CCD是1970年美國貝爾實驗室的W·B·Boyle和G·E·Smith等人發(fā)明的，從而揭開了圖像傳感器的序幕。據(jù)恒業(yè)國際控股集團生產(chǎn)中心經(jīng)理劉勇介紹：“CCD是一種用于捕捉圖像的感光半導體芯片，廣泛運用于掃描儀、復印機、攝像機及無膠片相機等設(shè)備”，即光學圖像(實際場景)經(jīng)鏡頭投射到CCD上，隨后將電子圖像不停留地送入一個A/D轉(zhuǎn)換器、信號處理器等器件。理論上說其能無限次地完成光電圖像轉(zhuǎn)換，方便長期使用，最終從攝像機輸出的圖像其圖質(zhì)很大程度上取決于CCD的品質(zhì)。
隨CCD迅猛發(fā)展之時，有人發(fā)現(xiàn)CMOS引入半導體光敏二極管后也可作為一種感光傳感器，但在分辨率、噪聲、成像質(zhì)量等方面都比當時的CCD差，故未獲得實際的規(guī)模應用。近年，隨著CMOS工藝技術(shù)的飛速發(fā)展，現(xiàn)在已能制造出高質(zhì)量、低成本的CMOS成像器件，且已可實際投入大規(guī)模生產(chǎn)，其高速率、高集成、低功耗及成本低廉等特性已影響著行業(yè)內(nèi)圖像傳感器選用走向。隨之，CCD一統(tǒng)江湖的地位開始動搖，恒業(yè)國際劉勇表示：“如今，CCD與CMOS已呈兩者共存的局面，模擬產(chǎn)品CCD是主流，但高清產(chǎn)品CMOS逐步成為圖像傳感器的主角。”究竟誰會笑到最后？下面我們對其結(jié)構(gòu)、原理和優(yōu)劣勢進行一一對比。
內(nèi)外部：結(jié)構(gòu)原理PK
無論任何產(chǎn)品，品質(zhì)的好壞主要取決于性能的優(yōu)劣，而性能優(yōu)劣的關(guān)鍵跟產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和工作原理又有著較大的關(guān)系，CCD和CMOS也既如此。
基本組成
CCD是在MOS晶體管的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，其基本結(jié)構(gòu)是MOS(金屬—氧化物—半導體)電容結(jié)構(gòu)。它是在半導體P型硅(Si)作襯底的表面上用氧化的辦法生成一層厚度約1000？~1500？的SiO2，再在SiO2表面蒸鍍一層金屬(如鋁)，在襯底和金屬電極間加上一個偏置電壓(稱柵電壓)，就構(gòu)成了一個MOS電容器。所以，CCD是由一行行緊密排列在硅襯底上的MOS電容器陣列構(gòu)成的。
而最基本的CMOS圖像傳感器是以一塊雜質(zhì)濃度較低的P型硅片作襯底，用擴散的方法在其表面制作兩個高摻雜的N+型區(qū)作為電極，即場效應管的源極和漏極，再在硅的表面用高溫氧化的方法覆蓋一層二氧化硅(SiO2)的絕緣層，并在源極和漏極之間的絕緣層的上方蒸鍍一層金屬鋁，作為場效應管的柵極。最后，在金屬鋁的上方放置光電二極管，這就構(gòu)成了最基本的CMOS圖像傳感器。
恒業(yè)國際劉勇解釋道：“在CMOS攝像器件中，電信號是從CMOS晶體管開關(guān)陣列中直接讀取的，而不像CCD那樣需要逐行讀取。”
內(nèi)部結(jié)構(gòu)
CCD成像器需有輔以較多的外圍驅(qū)動電路才能工作，它僅能輸出模擬電信號，這種信號要經(jīng)后續(xù)的地址譯碼器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器，圖像信號處理器等進行處理，CCD本身集成度相對較低。如有CCD數(shù)碼相機常會有六個芯片組成，有的多達八片，最少也要三片，從而使相機體積不能減小，制作成本也較高。
而CMOS成像器不需要附加的外圍處理電路，它是將光電二極管、圖像信號放大器、信號讀取電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、圖像信號處理器及控制器等都集成到一塊芯片上，且制造加工就如半導體廠家生產(chǎn)集成電路的流程即可。若構(gòu)成數(shù)碼相機，可將數(shù)碼相機的所有部件都集成到一塊芯片上，即“單芯片相機”。因此，采用CMOS芯片的光電圖像系統(tǒng)，不但能降低系統(tǒng)的整體成本與組裝所需的時間，而且還大大縮小了系統(tǒng)的體積和減低了復雜度。
工作原理
天津天地偉業(yè)數(shù)碼科技有限公司產(chǎn)品中心經(jīng)理郭輝介紹：“CCD是一種半導體成像器件，CCD電荷耦合器存儲的電荷信息，需在同步信號控制下一位一位地實施轉(zhuǎn)移后讀取，電荷信息轉(zhuǎn)移和讀取輸出需要有時鐘控制電路和三組不同的電源相配合，整個電路較為復雜。”
因而，CCD處理信息的速度相對較慢外，其耗電量也相對較大；
而CMOS光電傳感器在光電轉(zhuǎn)換后就可取出電信號，讀取比較簡單，還能同時處理各像素單元的圖像信息，
CMOS光電傳感器只需單組電源工作，耗電量小，能達到節(jié)能作用。
技術(shù)指標：輸贏關(guān)鍵
評判一款產(chǎn)品性能好壞，總有幾個技術(shù)指標。對于CCD和CMOS傳感器來說，同樣也有幾個硬性指標。引用天地偉業(yè)郭輝的觀點：“傳感器的主要技術(shù)指標有像素、靶面尺寸、感光度、電子快門、幀率、信噪比等。”
·像素。傳感器上有許多感光單元，它們可以將光線轉(zhuǎn)換成電荷，從而形成對應于景物的電子圖像。而在傳感器中，每一個感光單元對應一個像素(Pixels)，像素越多，代表著它能夠感測到更多的物體細節(jié)，從而圖像就越清晰。像素越高，意味著成像效果越清晰；
·靶面尺寸。據(jù)天地偉業(yè)的郭輝介紹：“圖像傳感器感光部分的大小。一般用英寸來表示，和電視機一樣，通常這個數(shù)據(jù)指的是這個圖像傳感器的對角線長度，如常見的有1/3英寸，靶面越大，意味著通光量越好，而靶面越小則比較容易獲得更大的景深。比如1/2英寸可以有比較大的通光量，而1/4英寸可以比較容易獲得較大的景深。”
·感光度。即是通過CCD或CMOS以及相關(guān)的電子線路感應入射光線的強弱。感光度越高，感光面對光的敏感度就越強，快門速度就越高，這在拍攝運動車輛，夜間監(jiān)控的時候尤其顯得重要；
·電子快門。是比照照相機的機械快門功能提出的一個術(shù)語。其控制圖像傳感器的感光時間，由于圖像傳感器的感光值就是信號電荷的積累，感光越長，信號電荷積累時間也越長，輸出信號電流的幅值也越大。電子快門越快，感光度越低，適合在強光下拍攝；
·幀率。既指單位時間所記錄或者播放的圖片的數(shù)量，連續(xù)播放一系列圖片就會產(chǎn)生動畫效果，根據(jù)人類的視覺系統(tǒng)，當圖片的播放速度大于15幅/秒的時候，人眼就基本看不出來圖片的跳躍；在達到24幅/s～30幅/s之間時就已經(jīng)基本覺察不到閃爍現(xiàn)象了。每秒的幀數(shù)(fps)或者說幀率表示圖形傳感器在處理場時每秒鐘能夠更新的次數(shù)。高的幀率可以得到更流暢、更逼真的視覺體驗；
·信噪比。是信號電壓對于噪聲電壓的比值，信噪比的單位用dB來表示。一般攝像機給出的信噪比值均是AGC(自動增益控制)關(guān)閉時的值，因為當AGC接通時，會對小信號進行提升，使得噪聲電平也相應提高。信噪比的典型值為45～55dB，若為50dB，則圖像有少量噪聲，但圖像質(zhì)量良好；若為60dB，則圖像質(zhì)量優(yōu)良，不出現(xiàn)噪聲，信噪比越大說明對噪聲的控制越好。
品性較量：優(yōu)劣勢分析
據(jù)悉，隨著數(shù)字網(wǎng)絡(luò)攝像機的發(fā)展和普及，圖像傳感器正逐漸從CCD獨大向CCD和CMOS并舉的態(tài)勢轉(zhuǎn)變。先不去探討此觀點的正確性，下面筆者先參照上文中提及的圖像傳感器技術(shù)指標，來具體比較CCD和CMOS兩者的優(yōu)劣勢。
據(jù)蘇州科達科技有限公司監(jiān)控產(chǎn)品經(jīng)理郭俊偉表示：“CCD和CMOS兩種傳感器各有長短，CMOS傳感器具備低成本、高集成度、高速率、底功耗等優(yōu)勢；而CCD能提供更好的感光度和更好的圖質(zhì)，可謂可有千秋。”
·像素構(gòu)成?？七_郭俊偉表示：“CCD由于像素點中沒有放大電路，其光電二極管的感光面較大，所以相比同尺寸的CMOS能提供更好的感光度和更大分辨率。但因為所有電荷都要逐個像素移位，在經(jīng)過放大器處理，由此制造工藝要遠比CMOS復雜且成品率低，所以CCD的成本要遠比CMOS高。”
·數(shù)據(jù)讀取效率?？七_郭俊偉同時表示：“CMOS具備高速的讀取效率，對于處理高分辨的大量數(shù)據(jù)具有天然的優(yōu)勢。一但其制作工藝成熟后且便于與其它SOC集成。其整體方案的成本要明顯優(yōu)于CCD。同時，基于它的像素結(jié)構(gòu)的特點，它的功耗相對較小。”
·感光度。據(jù)悉，由于CMOS傳感器每個電荷都先經(jīng)放大再轉(zhuǎn)移，帶來問題就是噪聲多而影響圖像品質(zhì)。加上其每個像素點中都含有放大器件，縮小了單位感光面積，所以它的感光度明顯不如CCD；
·成像效果。四川艾普視達數(shù)碼科技有限公司市場部經(jīng)理范清華表示：“CCD因為感光靈敏度較好，故在低照度下的成像具有優(yōu)勢，而CMOS的高像素優(yōu)勢，在高清監(jiān)控時由于數(shù)據(jù)處理量大，CCD實現(xiàn)起來成本相對較高，故多以CMOS傳感器居多。”
· 曝光時間。艾普視達范清華表示：“CCD通常采用Global Shutter快門方式，曝光時間更短，適合道路抓拍場合應用。由于CMOS多是采用Rolling Shutter電子快門方式，當物體移動較快時，會出現(xiàn)部分曝光、傾斜、抖動等現(xiàn)象，廠商方面也有開始著手在CMOS上使用Global Shutter技術(shù)，或者是通過長延時閃光燈來解決現(xiàn)有Rolling Shutter模式下的閃光同步問題。”
目前，在各主力廠商的不斷努力下，新的CMOS器件不斷推陳出新，高動態(tài)范圍CMOS器件已經(jīng)出現(xiàn)，這一技術(shù)消除了對快門、光圈、自動增益控制及伽瑪校正的需要，使網(wǎng)絡(luò)攝像機接近且超過CCD的成像質(zhì)量。另外由于CMOS先天的可塑性，可以做出高分辨率像素的大型CMOS感光器而成本卻不上升多少。相對于CCD，CMOS作為新生事物而展示出了蓬勃的活力。作為百萬像素高清網(wǎng)絡(luò)攝像機的核心部件，CMOS圖像傳感器以已經(jīng)有逐漸取代CCD感光器的趨勢。
結(jié)語
在采訪中，大部分廠商均表示：CCD必將會被CMOS傳感器所取代。如天地偉業(yè)郭輝表示：“目前來看，CCD因技術(shù)成熟，目前應用還較多，但是隨著市場需求的擴大和技術(shù)的進步，未來更看好CMOS。”
同樣，艾普視達范清華從市場需求上也提出：“目前市場上的CMOS器件的發(fā)展已經(jīng)可以達到4000萬像素，而目前我們的安防視頻監(jiān)控攝像機產(chǎn)品主要還是210萬像素、300萬像素和500萬像素，從像素上來說，無論監(jiān)控攝像機如何發(fā)展，CMOS傳感器已經(jīng)足夠滿足安防視頻監(jiān)控的應用。”筆者認為，CCD和CMOS傳感器的較量，先不去關(guān)注誰輸誰贏，但從中可總結(jié)一個道理：市場的競爭是殘酷的，從來就不會有誰先來后到的游戲規(guī)則，法則只有一個優(yōu)勝劣汰，要想持續(xù)占領(lǐng)市場，隨市場需求而變、求精、求極致、求突破，才是不敗之道。
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