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換，方便長期使用，最終從攝像機輸出的圖像其圖質很大程度上取決于CCD的品質。

　　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工藝技術的飛速發(fā)展，現(xiàn)在已能制造出高質量、低成本的CMOS成像器件，且已可實際投入大規(guī)模生產，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，模擬產品CCD是主流，但高清產品CMOS逐步成為圖像傳感器的主角?！本烤拐l會笑到最后?下面我們對其結構、原理和優(yōu)劣勢進行一一對比。

　　內外部：結構原理PK

　　無論任何產品，品質的好壞主要取決于性能的優(yōu)劣，而性能優(yōu)劣的關鍵跟產品結構和工作原理又有著較大的關系，CCD和CMOS也既如此。

　　基本組成

　　CCD是在MOS晶體管的基礎上發(fā)展起來的，其基本結構是MOS(金屬—氧化物—半導體)電容結構。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電容器陣列構成的。

　　而最基本的CMOS圖像傳感器是以一塊雜質濃度較低的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晶體管開關陣列中直接讀取的，而不像CCD那樣需要逐行讀取?！?/p>

　　內部結構

　　CCD成像器需有輔以較多的外圍驅動電路才能工作，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集成電路的流程即可。若構成數(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移后讀取，電荷信息轉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。

　　技術指標：輸贏關鍵

　　評判一款產品性能好壞，總有幾個技術指標。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：“傳感器的主要技術指標有像素、靶面尺寸、感光度、電子快門、幀率、信噪比等?！?/p>

　　· 像素。傳感器上有許多感光單元，它們可以將光線轉換成電荷，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;[nextpage]

　　· 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，但圖像質量良好;若為60dB，則圖像質量優(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，可謂可有千秋?！本唧w對比分析如下表(表1為CCD和CMOS優(yōu)劣勢對比)。

　　· 像素構成?？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?！?/p>

　　· 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，基于它的像素結構的特點，它的功耗相對較小?！?/p>

　　· 感光度。據(jù)悉，由于CMOS傳感器每個電荷都先經(jīng)放大再轉移，帶來問題就是噪聲多而影響圖像品質。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。” 據(jù)悉，蘇州科達高清傳感器CCD和CMOS均有采用，如普通槍機和半球選用高清CMOS傳感器，在實現(xiàn)高清分辨率和色彩還原好的同時，仍確保售價較低廉;而對于激光和紅外攝像機，則采用了CCD圖像傳感器，其主要保證夜間紅外補光效果;

　　· 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，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。”

　　由此看來，CCD和CMOS各有千秋。但隨著索尼Exmor CMOS的推出，CMOS的低照效果和噪聲控制得到了很大的改善，在低照這方面已將達到可以媲美CCD的效果，如天地偉業(yè)最新產品選用的傳感器就均為背照式EXMOR CMOS;而艾普視達公司高清產品也主要用的是基于CMOS圖像傳感器，難怪艾普視達范清華表示：“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)絡攝像機接近且超過CCD的成像質量。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?！?/p>

　　結語

　　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因技術成熟，目前應用還較多，但是隨著市場需求的擴大和技術的進步，未來更看好CMOS?！?/p>

　　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?！惫P者認為，CCD和CMOS傳感器的較量，先不去關注誰輸誰贏，但從中可總結一個道理：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)占領市場，隨市場需求而變、求精、求極致、求突破，才是不敗之道。