全面详细解析CMOS和CCD图像传感器

参考文献链接

https://mp.weixin.qq.com/s/Do5frkyGKw_ZuwY0TYSURQ

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CMOS和CCD图像传感器有什么区别？9张动画来说明

在智能制造，自动化等设备中，离不开机械视觉，而说起机器视觉，一定少不了图像传感器。

几十年来，CCD和CMOS技术，一直在争夺图像传感器的优势。

那么这两种传感器有什么区别？

今天我们就来分享一下。

先给结果，再看图说话。

CCD VS CMOS

首先我们要明确CMOS和CCD代表啥意思。

CMOS其实是Complementary Metal Oxide Semiconductor的简称，中文称为互补金属氧化物半导体。

而CCD是Charge-Coupled Device的简称，含义是电荷耦合器件。

是不是觉得很拗口？

还是CMOS和CCD更顺耳。

CCD传感器的名称来源于捕获图像后如何读取电荷。

利用特殊的制造工艺，传感器能够在不影响图像质量的情况下传输累积的电荷。

整个像素区域可以看着是个矩阵，每个矩阵单元就是一个像素。

CMOS和CCD的微观结构

CCD的基本感光单元，是金属氧化物半导体电容器（MOS= Metal Oxide Semiconductor Capacity），它用作光电二极管和存储设备。

典型的 CCD 器件有四层:（a）底部掺杂硼的硅衬底（Silicon Substrate）、（b）沟道停止层（Channel Stop）、（c）氧化层（Silicon Dioxide）和（d）用于控制的栅电极（Polysilicon Gate Electrode）。

当栅极电压高时，氧化层下方会产生势能阱（Potential Well）。传入的光子可以激发势阱中的电子，这些电子可以被收集和引导，周围的掺杂区可防止受激电子泄漏。

使用 CCD相机生成图像，可分为四个主要阶段或功能：通过光子与器件光敏区域相互作用产生电荷、收集和存储释放的电荷、电荷转移和电荷测量。

①信号电荷的产生：CCD工作过程的第一步是电荷的产生。CCD可以将入射光信号转换为电荷输出，依据的是半导体的内光电效应（光伏效应）。

②信号电荷的存储：CCD工作过程的第二步是信号电荷的收集，就是将入射光子激励出的电荷收集起来成为信号电荷包的过程。

③信号电荷的传输（耦合）：CCD工作过程的第三步是信号电荷包的转移，就是将所收集起来的电荷包从一个像元转移到下一个像元，直到全部电荷包输出完成的过程。

④信号电荷的检测：CCD工作过程的第四步是电荷的检测，就是将转移到输出级的电荷转化为电流或者电压的过程。

这个过程可以用下面的动画来表示。

CCD中电荷转移示意图

CMOS微观结构示意图。

CMOS微观结构：和CCD最大的区别在于电荷的传输方式不同，CMOS使用金属导线传递。

CMOS像元工作示意图。传感器像素（一个反向偏置的二极管）连接到读出芯片中的像素电子元件。

CMOS像元工作示意图。

CMOS和CCD传感器工作原理

先来两张外观图，感觉一下CMOS和CCD长什么样。

CMOS外观图；包含像元，数字逻辑电路，信号处理器，时钟控制器等。

CCD外观图：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时钟控制器，还有输出放大器等。

把这两种传感器抽象一下，有下面这两张电路图。

CCD传感器电路图：电压转换必须在电荷传送到水平移位寄存器后。

CMOS传感器示意图：各个像元内包含感光元件和电压转换器，可以在像元内把光子转换成电压。

忽略电路板部分，只关注感光部分，有如下的示意图。

CCD传感器示意图。CCD本质上是一个大阵列的半导体“桶”，可以将传入的光子转换为电子并保持累积的电荷。这些电荷，可以被垂直移位寄存器，向下转移到水平移位寄存器，水平移位寄存器以将电荷转换为电压并输出。

CMOS传感器示意图。互补金属氧化物半导体设计不是传输电荷桶，而是立即将电荷转换为电压，并在微线上输出电压。

CMOS图像传感器工作示意图。CCD在过程结束时将电荷转换为电压，而CMOS传感器则在开始时执行此转换（因为各像元内包含电压转换器）。然后可以通过紧凑、节能的微型电线输出电压。

CMOS图像传感器工作示意图，每个像元独立产生电压，可迅速输出。

CCD图像传感器工作示意图：在各个光电传感器中累积电荷后，它们会同时传输到垂直移位寄存器中，在此寄存器中电荷向下垂直移动并穿过水平寄存器。最后，电荷被转换为电压并被放大。

全幅CCD图像传感器工作示意图。全幅CCD是结构最简单的传感器，可以以非常高的分辨率生产。它们只有一个单线传输寄存器作为缓冲器，不能通过传感器控制设置快门速度。因此，传感器必须位于机械快门后面，因为光敏传感器表面只能在曝光时间内暴露在光线下。全幅CCD主要用于科学和天文学中的摄影目的。

行间传输CCD图像传感器工作示意图。在曝光时间结束时，来自传感器单元的电荷同时传输到所有像素的中间存储器，并通过垂直和水平位移从那里读出。行间传输CCD的优势在于它们可以快速、完全地从传感器单元接收图像信息，中间存储不需要机械锁。这种设计的缺点是，传感器的填充系数较低，这会导致对光的敏感度降低，或在低光下更容易产生噪音。

帧传输CCD工作示意图。曝光后，存储的图像或单元中的电荷会非常迅速地转移到转移寄存器中。然后以与全帧 CCD相同的方式从传输寄存器读取电荷。

帧间行传输CCD工作示意图。结合了行间和全幅CCD原理。通过这种结构，有源传感器单元的电荷可以非常快速地传输到中间存储单元，并从那里同样快速地传输到完全不透光的传输寄存器。

关于CCD工作原理，有一个经典的区域雨水测量比喻。

CCD串行读出方式，可以用桶旅测量区域雨量来示意。其中落在桶阵列上的降雨强度可能因地而异，与成像传感器上的入射光子相似，如图（a）。

这些桶在积分期间收集了不同数量的信号（水），桶在传送带上向代表串行寄存器（Serial Bucket Array）的一排空桶传送。在图（b），一整排存储桶被并行移动到串行寄存器的存储库中。串行移位和读出操作如图（c）所示，其中描绘了每个桶中累积的雨水被顺序转移到校准的测量容器中，这类似于CCD输出放大器。当串行传送带上所有容器的内容物按顺序测量完毕后，另一列并行班次（Parallel Register Shift）将下一行收集桶的内容物转移到串行记录容器中，重复该过程，直到每个桶（像素）的内容物都测量完毕。

下面这个动画，示意这个有趣的过程，注意，实际是一桶一桶地测量。

CCD雨量比喻示意图。

结论

有了前面的了解，我们就直接给出结论了。

CCD和CMOS传感器之间的主要区别在于处理每个像素的方式：CCD将光生电荷从一个像素移动到另一个像素，并在输出节点将其转换为电压。CMOS成像器，在每个像素上使用多个晶体管，将每个像素内的电荷转换为电压，以使用更传统的导线放大和移动电荷。

CCD和CMOS传感器的区别：CCD像元产生的电荷，需要先寄存在垂直寄存器中，然后分行传送到水平寄存器，最后单独依次测量每个像元的电荷并放大输出信号。而CMOS传感器，则可以在每个像元中产生电压，然后通过金属线，传送到放大器输出，速度更快。

CCD将光生电荷从一个像素移动到另一个像素，并在输出节点将其转换为电压。CMOS成像器，在每个像素上使用多个晶体管，将每个像素内的电荷转换为电压，以使用更传统的导线放大和移动电荷。

CMOS VS CCD

CCD VS CMOS。

CMOS比CCD有一些明显的优势：

CMOS 传感器具有比 CCD 更快的数据检索速度。在 CMOS中，每个像素都单独放大，而不是在 CCD 中的公共端节点处理数据。这意味着每个像素都有自己的放大器，处理器消耗的噪声可以在像素级调低，然后放大以获得更高的清晰度，而不是在端节点一次性放大每个像素的原始数据。

CMOS 传感器更节能且生产成本更低。它们可以通过重新利用现有的半导体来构建。与CCD中的高压模拟电路相比，这些也使用更少的功率。

CCD传感器的图像质量优于CMOS传感器。然而，CMOS传感器在功耗和价格等方面优于CCD传感器。

一文读懂CMOS图像传感器

1873年，科学家约瑟·美(Joseph May)及伟洛比·史密夫(WilloughbySmith)就发现了硒元素结晶体感光后能产生电流，由此，电子影像发展开始，随着技术演进，图像传感器性能逐步提升。1.20世纪50年代——光学倍增管(Photo Multiplier Tube，简称PMT)出现。2.1965年-1970年，IBM、Fairchild等企业开发光电以及双极二极管阵列。3.1970年，CCD图像传感器在Bell实验室发明，依靠其高量子效率、高灵敏度、低暗电流、高一致性、低噪音等性能，成为图像传感器市场的主导。4.90年代末，步入CMOS时代。

图像传感器的历史沿革——PMT1.光电倍增管（简称光电倍增管或PMT），真空光电管的一种。工作原理是：由光电效应引起，在PMT入射窗处撞击光电阴极的光子产生电子，然后由高压场加速，并在二次加工过程中在倍增电极链中倍增发射。2.光电倍增管是一种极其灵敏的光检测器，可探测电磁波谱紫外，可见和近红外范围内光源，提供与光强度成比例的电流输出，广泛应用于验血，医学成像，电影胶片扫描（电视电影），雷达干扰和高端图像扫描仪鼓扫描仪中。

图像传感器的历史沿革——CCD

1.数字成像始于1969年，由Willard Boyle和George E. Smith于AT＆T贝尔实验室发明。

2.最初致力于内存→“充电'气泡'设备”，可以被用作移位寄存器和区域成像设备。

3.CCD是电子设备，CCD在硅芯片（IC）中进行光信号与电信号之间的转换，从而实现数字化，并存储为计算机上的图像文件。

4.2009年， Willard Boyle和George E. Smith获得诺贝尔物理学奖。

国际空间站使用CCD相机

1.1997年，卡西尼国际空间站使用CCD相机（广角和窄角）

2.美国宇航局局长丹尼尔戈尔丁称赞CCD相机“更快，更好，更便宜”；声称在未来的航天器上减少质量，功率，成本，都需要小型化相机。而电子集成便是小型化的良好途径，而基于MOS的图像传感器便拥有无源像素和有源像素（3T）的配置。

图像传感器的历史沿革——CMOS图像传感器

1.CMOS图像传感器使得“芯片相机”成为可能，相机小型化趋势明显。

2.2007年，Siimpel AF相机模型的出现标志着相机小型化重大突破。

3.芯片相机的崛起为多个领域（车载，军工航天、医疗、工业制造、移动摄影、安防）等领域的技术创新提供了新机遇。公众号《机械工程文萃》，工程师的加油站！

CMOS图像传感器走向商业化

1.1995年2月，Photobit公司成立，将CMOS图像传感器技术实现商业化。

2.1995-2001年间，Photobit增长到约135人，主要包括：私营企业自筹资金的定制设计合同、SBIR计划的重要支持（NASA/DoD）、战略业务合作伙伴的投资，这期间共提交了100多项新专利申请。

3.CMOS图像传感器经商业化后，发展迅猛，应用前景广阔，逐步取代CCD成为新潮流。

CMOS图像传感器的广泛应用

2001年11月，Photobit被美光科技公司收购并获得许可回归加州理工学院。与此同时，到2001年，已有数十家竞争对手崭露头角，例如Toshiba，STMicro，Omnivision，CMOS图像传感器业务部分归功于早期的努力促进技术成果转化。后来，索尼和三星分别成为了现在全球市场排名第一，第二。后来，Micron剥离了Aptina，Aptina被ON Semi收购，目前排名第4。CMOS传感器逐渐成为摄影领域主流，并广泛应用于多种场合。

CMOS图像传感器发展历程

70年代：Fairchild

80年代：Hitachi

80年代初期：Sony

1971年：发明FDA&CDS技术

80年中叶：在消费市场上实现重大突破；

1990年：NHK/Olympus,放大MOS成像仪(AMI)，即CIS

1993年：JPL,CMOS有源像素传感器，

1998年：单芯片相机，2005年后：CMOS图像传感器成为主流。

CMOS图像传感器技术简介

CMOS图像传感器

CMOS图像传感器（CIS）是模拟电路和数字电路的集成。主要由四个组件构成：微透镜、彩色滤光片（CF）、光电二极管（PD）、像素设计。

1.微透镜：具有球形表面和网状透镜；光通过微透镜时，CIS的非活性部分负责将光收集起来并将其聚焦到彩色滤光片。

2.彩色滤光片（CF）：拆分反射光中的红、绿、蓝（RGB）成分，并通过感光元件形成拜尔阵列滤镜。

3.光电二极管（PD）：作为光电转换器件，捕捉光并转换成电流；一般采用PIN二极管或PN结器件制成。

4.像素设计：通过CIS上装配的有源像素传感器(APS)实现。APS常由3至6个晶体管构成，可从大型电容阵列中获得或缓冲像素，并在像素内部将光电流转换成电压，具有较完美的灵敏度水平和的噪声指标。

Bayer阵列滤镜与像素

1.感光元件上的每个方块代表一个像素块，上方附着着一层彩色滤光片（CF），CF拆分完反射光中的RGB成分后，通过感光元件形成拜尔阵列滤镜。经典的Bayer阵列是以2x2共四格分散RGB的方式成像，Quad Bayer阵列扩大到了4x4，并且以2x2的方式将RGB相邻排列。公众号《机械工程文萃》，工程师的加油站！

2.像素，即亮光或暗光条件下的像素点数量，是数码显示的基本单位，其实质是一个抽象的取样，我们用彩色方块来表示。

3.图示像素用R（红）G（绿）B（蓝）三原色填充，每个小像素块的长度指的是像素尺寸，图示尺寸为0.8μm。

Bayer阵列滤镜与像素

滤镜上每个小方块与感光元件的像素块对应，也就是在每个像素前覆盖了一个特定的颜色滤镜。比如红色滤镜块，只允许红色光线投到感光元件上，那么对应的这个像素块就只反映红色光线的信息。随后还需要后期色彩还原去猜色，最后形成一张完整的彩色照片。感光元件→Bayer滤镜→色彩还原，这一整套流程，就叫做Bayer阵列。

前照式（FSI）与背照式（BSI）

早期的CIS采用的是前面照度技术FSI（FRONT-SIDE ILLUMINATED），拜尔阵列滤镜与光电二极管（PD）间夹杂着金属（铝，铜）区，大量金属连线的存在对进入传感器表面的光线存在较大的干扰，阻碍了相当一部分光线进入到下一层的光电二极管（PD），信噪比较低。技术改进后，在背面照度技术BSI（FRONT-SIDE ILLUMINATED）的结构下，金属（铝，铜）区转移到光电二极管（PD）的背面，意味着经拜尔阵列滤镜收集的光线不再众多金属连线阻挡，光线得以直接进入光电二极管；BSI不仅可大幅度提高信噪比，且可配合更复杂、更大规模电路来提升传感器读取速度。