在智能制造，自動化等設備中，離不開機械視覺，而說起機器視覺，一定少不了圖像傳感器。
幾十年來，CCD和CMOS技術，一直在爭奪圖像傳感器的優勢。
那么這兩種傳感器有什么區別？
今天我們就來分享一下。

先給結果，再看圖說話。

CCD VS CMOS

首先我們要明確CMOS和CCD代表啥意思。
CMOS其實是Complementary Metal Oxide Semiconductor的簡稱，中文稱為互補金屬氧化物半導體。
而CCD是Charge-Coupled Device的簡稱，含義是電荷耦合器件。
是不是覺得很拗口？
還是CMOS和CCD更順耳。
CCD傳感器的名稱來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量的情況下傳輸累積的電荷。
整個像素區域可以看著是個矩陣，每個矩陣單元就是一個像素。

01        CMOS和CCD的微觀結構

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

 

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）。

當柵極電壓高時，氧化層下方會產生勢能阱（Potential Well）。傳入的光子可以激發勢阱中的電子，這些電子可以被收集和引導，周圍的摻雜區可防止受激電子泄漏。

使用 CCD相機生成圖像，可分為四個主要階段或功能：通過光子與器件光敏區域相互作用產生電荷、收集和存儲釋放的電荷、電荷轉移和電荷測量

①信號電荷的產生：CCD工作過程的第一步是電荷的產生。CCD可以將入射光信號轉換為電荷輸出，依據的是半導體的內光電效應（光伏效應）。
②信號電荷的存儲：CCD工作過程的第二步是信號電荷的收集，就是將入射光子激勵出的電荷收集起來成為信號電荷包的過程。
③信號電荷的傳輸（耦合）：CCD工作過程的第三步是信號電荷包的轉移，就是將所收集起來的電荷包從一個像元轉移到下一個像元，直到全部電荷包輸出完成的過程。
④信號電荷的檢測：CCD工作過程的第四步是電荷的檢測，就是將轉移到輸出級的電荷轉化為電流或者電壓的過程。

這個過程可以用下面的動畫來表示。

CCD中電荷轉移示意圖

CCD中電荷轉移示意圖

CMOS微觀結構示意圖

CMOS微觀結構：和CCD最大的區別在于電荷的傳輸方式不同，CMOS使用金屬導線傳遞

CMOS像元工作示意圖。傳感器像素（一個反向偏置的二極管）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

先來兩張外觀圖，感覺一下CMOS和CCD長什么樣。

CMOS外觀圖；包含像元，數字邏輯電路，信號處理器，時鐘控制器等

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：各個像元內包含感光元件和電壓轉換器，可以在像元內把光子轉換成電壓

忽略電路板部分，只關注感光部分，有如下的示意圖。

CCD傳感器示意圖

CCD本質上是一個大陣列的半導體“桶”，可以將傳入的光子轉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，向下轉移到水平移位寄存器，水平移位寄存器以將電荷轉換為電壓并輸出。

CMOS傳感器示意圖

互補金屬氧化物半導體設計不是傳輸電荷桶，而是立即將電荷轉換為電壓，并在微線上輸出電壓。

CMOS圖像傳感器工作示意圖

CCD在過程結束時將電荷轉換為電壓，而CMOS傳感器則在開始時執行此轉換（因為各像元內包含電壓轉換器）。然后可以通過緊湊、節能的微型電線輸出電壓。

CMOS圖像傳感器工作示意圖，每個像元獨立產生電壓，可迅速輸出

CCD圖像傳感器工作示意圖

在各個光電傳感器中累積電荷后，它們會同時傳輸到垂直移位寄存器中，在此寄存器中電荷向下垂直移動并穿過水平寄存器。最后，電荷被轉換為電壓并被放大。

全幅CCD圖像傳感器工作示意圖

全幅CCD是結構最簡單的傳感器，可以以非常高的分辨率生產。它們只有一個單線傳輸寄存器作為緩沖器，不能通過傳感器控制設置快門速度。因此，傳感器必須位于機械快門后面，因為光敏傳感器表面只能在曝光時間內暴露在光線下。全幅CCD主要用于科學和天文學中的攝影目的。

行間傳輸CCD圖像傳感器工作示意圖

在曝光時間結束時，來自傳感器單元的電荷同時傳輸到所有像素的中間存儲器，并通過垂直和水平位移從那里讀出。行間傳輸CCD的優勢在于它們可以快速、完全地從傳感器單元接收圖像信息，中間存儲不需要機械鎖。這種設計的缺點是，傳感器的填充系數較低，這會導致對光的敏感度降低，或在低光下更容易產生噪音。

幀傳輸CCD工作示意圖

曝光后，存儲的圖像或單元中的電荷會非常迅速地轉移到轉移寄存器中。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

結合了行間和全幅CCD原理。通過這種結構，有源傳感器單元的電荷可以非?？焖俚貍鬏數街虚g存儲單元，并從那里同樣快速地傳輸到完全不透光的傳輸寄存器。

關于CCD工作原理，有一個經典的區域雨水測量比喻。

CCD串行讀出方式，可以用桶旅測量區域雨量來示意。其中落在桶陣列上的降雨強度可能因地而異，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量的信號（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），一整排存儲桶被并行移動到串行寄存器的存儲庫中。串行移位和讀出操作如圖（c）所示，其中描繪了每個桶中累積的雨水被順序轉移到校準的測量容器中，這類似于CCD輸出放大器。當串行傳送帶上所有容器的內容物按順序測量完畢后，另一列并行班次（Parallel Register Shift）將下一行收集桶的內容物轉移到串行記錄容器中，重復該過程，直到每個桶（像素）的內容物都測量完畢。

下面這個動畫，示意這個有趣的過程，注意，實際是一桶一桶地測量。

CCD雨量比喻示意圖

03        結論

有了前面的了解，我們就直接給出結論了。

CCD和CMOS傳感器之間的主要區別在于處理每個像素的方式：CCD將光生電荷從一個像素移動到另一個像素，并在輸出節點將其轉換為電壓。CMOS成像器，在每個像素上使用多個晶體管，將每個像素內的電荷轉換為電壓，以使用更傳統的導線放大和移動電荷。

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

CCD將光生電荷從一個像素移動到另一個像素，并在輸出節點將其轉換為電壓。CMOS成像器，在每個像素上使用多個晶體管，將每個像素內的電荷轉換為電壓，以使用更傳統的導線放大和移動電荷。

CMOS VS CCD

CCD VS CMOS

CMOS比CCD有一些明顯的優勢：

CMOS 傳感器具有比 CCD 更快的數據檢索速度。在 CMOS中，每個像素都單獨放大，而不是在 CCD 中的公共端節點處理數據。這意味著每個像素都有自己的放大器，處理器消耗的噪聲可以在像素級調低，然后放大以獲得更高的清晰度，而不是在端節點一次性放大每個像素的原始數據。

CMOS 傳感器更節能且生產成本更低。它們可以通過重新利用現有的半導體來構建。與CCD中的高壓模擬電路相比，這些也使用更少的功率。

CCD傳感器的圖像質量優于CMOS傳感器。然而，CMOS傳感器在功耗和價格等方面優于CCD傳感器。