ccd与cmos，ccd或cmos是数字相机的图像传感器吗

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CCD和CMOS的引入甚至可能让摄影爱好者（高级摄影师除外）感到困惑。但如果说起“摄像头芯片”、“图像传感器”、“全画幅芯片”等，大家立刻就会感觉更熟悉了。如果没有严格的论证，你可能会认为CCD、CMOS和图像传感器是同一个东西，但实际上它们并不等同，不能混淆。

并不是说成像器笼罩在神秘之中，而是因为CCD和CMOS是两种主流的图像传感器技术，设计不同、原理不同。我们努力不仅讨论“什么”，而且讨论“如何”和“为什么”。

“芯片”这个话题太大了，不如从半导体这个概念开始说起。

1、半导体“半导体”是一个与导体和绝缘体相关的概念，所以我们首先要了解什么是导体和绝缘体。

1.1 导体和绝缘体

从“导电性”的角度来看，物体大致可以分为导电的“导体”和不导电的“绝缘体”。

两者导电性能不同的根本原因是什么？这里就涉及到“原子结构”的问题。

1913年，丹麦理论物理学家尼尔斯·玻尔在其前辈欧内斯特·卢瑟福的工作基础上提出了“卢瑟福-玻尔原子模型”，如图1-1所示。

照片1-1

在这个理论中，原子由带正电的原子核和带负电的电子组成，原子核又可以细分为带正电的质子和不带电的中子，电子是原子核外的离散粒子，被认为在轨道上运行。电子距离原子核越远（轨道越高），它受到的约束力就越小。

该模型还用“能级”来描述电子的动力学特性。电子的轨道越高，其能级越高，反之亦然。最外层轨道具有最高的能级，通常用“价带”表示。当能量被吸收时，电子被激发并从低能级（低轨道）跃迁到高能级（高轨道）（见图1-2）。

图1-2

当吸收足够的能量时，电子就可以突破核约束，从价带跃迁到导带，成为自由游动的电子。自由电子越多，物体的导电性就越强。

1.2 半导体

半导体是位于导体和绝缘体之间的物质，在自然状态下其电导率接近于绝缘体，但当少量电子吸收能量时，它们会跃迁到导带并移至导带。导体。

常见的半导体材料是掺杂有磷（P）和硼（B）等其他元素的硅（Si）材料。三者在元素周期表上相邻，具有相似的原子结构——。最外层电子数分别为4、5、3。因此，当磷掺杂到硅材料中时，通过共价键合获得稳定的电子层结构。每个磷原子还具有一个自由电子。这提供了自由电子（也称为“供体”）。 ）半导体是“N型半导体”（N是负极的缩写），如图1-3[1]所示：

图1-3

同样，当硅材料掺杂硼时，每个硼原子就多了一个带正电的电子空穴，称为电子空穴，具有吸引电子的能力（（也称为材料）。如图1-4所示，具有“受主”功能的半导体称为“P型半导体”（P是正极的缩写）。

图1-4

1.3 PN结

当P型半导体和N型半导体集成时，形成PN结，中间边界附近的弱束缚电子自由移动，填充P型硅中的电子空穴，逐渐达到动态平衡，如图图1. 创建耗尽区，如-5 处所示。

图1-5

当向两极施加反向偏压时（即P侧施加负电压，N侧施加正电压），耗尽区增大，导电性能下降。 (即当P侧施加正电压，N侧施加正电压时)，耗尽区减小，电导率增加。二极管是一种通过控制偏置电压来达到让电流朝一个方向流动的目的的元件。

2、数字成像的“核心”：CCD 1969年，美国贝尔实验室的两位科学家威拉德·博伊尔和乔治·E·史密斯发明了数字图像传感芯片——CCD。 CCD的官方英文名称是Charge-Coupled Device，字面意思是“电荷耦合器件”。

2.1 CCD的结构

CCD的结构大致可分为上部和下部。

光学滤波器和集成电路。

CCD芯片表面是一系列光学滤光片组件，主要由抗红外微透镜和拜耳滤色片组成，如图2-1所示。

图2-1

拜耳阵列滤色片是使用RGB（红、绿、蓝）颜色模型的彩色成像的重要组成部分。人眼对绿色的敏感度是对红色和蓝色的敏感度的两倍，因此绿色滤光片的数量是红色和蓝色滤光片的两倍。

滤波器下面的一层是传感器集成电路。上面是数千万个像素（或感光单元），每个像素由四个光电二极管（两个绿色滤光片、一个红色滤光片和一个蓝色滤光片）组成。像素具有从顶部开始由多晶硅电极、二氧化硅、N型半导体和P型半导体组成的堆叠结构。其剖面图如图2-2所示。

图2-2，MicroscopyU 拍摄

2.2 CCD工作原理

继续看上面的图2-2。 PN结有耗尽区，当施加反向电压时（上电极为正极，下电极为负极），电子吸收入射光的能量并跃迁为自由电子。被存储在正极下方形成的势阱中。如果我们将势阱比作杯子，光生电子（光电效应产生的电子）类似于杯子中的水。入射光越强，产生的光生电子就越多，杯子里的水就越多。

电压的通断由一系列顺序门电路控制，随着电压的变化，势阱向邻近的高电压移动，从而达到电荷转移的目的。动态图如图2-3所示。

图2-3

2.3 三种CCD架构

CCD 设计通常具有三种架构：

帧传输（FT）、全帧（FF）、行间传输（IL）。

这三种架构代表了三种不同的电荷转移方案，其示意图如图2-4所示（箭头表示电荷转移的方向）。

图2-4

让我们快速了解一下CCD 的这三种架构。

2.3.1 帧转发架构

采用帧传输架构的CCD分为两部分：图像区和存储区。前者由光电二极管组成，负责将光电信号转换为模拟电信号，而后者具有遮光涂层，不感光，主要用于存储和读出电荷数据。其结构如图2-5所示。

图2-5，照片来自Hamamatsu.magnet.fsu.edu

偏置电路在并行时钟的控制下将电荷从图像区转移到存储区，串联移位寄存器逐行读出电荷数据并发送给芯片外部的信号放大器。最后一行充电数据从芯片传输完毕后，开始重复下一行数据的传输[1]。

此类CCD的优点是帧传输效率高，并且不需要机械快门。缺点是图像分辨率较低（感光面积较小，可容纳的像素较少）和成本较高（硅面积的两倍）。

2.3.2 全框架架构

与帧传输架构最大的区别在于，全帧架构中的所有区域都是感光区域，并且没有单独的存储区域。感光区之后的下一层是并行移位寄存器，也是逐行读出电荷，其余与帧传输类似。如图2-6所示：

图2-6，照片来自Hamamatsu.magnet.fsu.edu

前面提到，为了方便大家理解，如果将势阱比作玻璃，将电子比作水，则电荷转移原理的示意图可以表示为如图2-7所示。

图2-7

这类CCD的优点是芯片利用率高，制造成本相对较低。如果寄存器读取数据时光电二极管仍然暴露，最终图像中就会出现拖尾效应（见图2-8）。因此，此类CCD必须配合机械快门来阻挡光线并控制曝光。

图2-8

2.3.3 联线传输架构

行间传输架构在外观上与全画幅CCD 类似，只是每个像素旁边有一个非光敏电阻。它们成对耦合，每两个像素，电荷是“每两个像素”。将“逐像素”传输到寄存器中是“电荷耦合”名称的由来。如图2-9所示：

图2-9，照片来自Hamamatsu.magnet.fsu.edu

这类CCD最大的优点是不需要机械快门，帧传输效率高，因此图像拖尾相对较少。缺点包括更复杂的设计架构和更高的制造成本。

3、数字成像的“核心”：CMOS3.1 CMOS结构

1992年，NASA喷气推进实验室的科学家Eric Fossum博士发表了一篇长论文，讨论了主动像素传感器技术的应用以及随后出现的CMOS传感器。

CMOS，它的正式英文名称是Complementary Metal-Oxide Semiconductor，翻译过来就是“互补金属氧化物半导体”。 CMOS图像传感器主要由以下四部分组成。

(1) 微透镜：位于传感器的顶层，其主要作用是将入射光聚焦到光电二极管上，以提高光利用率。

(2)彩色滤光片：与CCD类似，也是拜耳滤光片，包含红、绿、蓝三种颜色，用于过滤不同波长的光。

(3)金属连接层(电路)：金属(铝或铜)连接线和氧化保护层。

(4)硅基：主要内置元件是光电二极管，将光信号转换为电信号。

其剖面图如图3-1所示。

图3-1，IBM 拍摄。

3.2 CMOS工作原理

与CCD最大的区别在于CMOS传感器在每个像素中内置了独立的信号放大器，因此也称为有源像素传感器（APS）。当光线进入CMOS 时，光电二极管中会发生光电效应。偏置门电路控制光电二极管的感光度，光电二极管从上到下逐行曝光，每个像素产生的电信号立即被放大（参见相关知识，影像学堂之前的文章《摄影知识科普 | 你最熟悉的「快门」，却藏有这些你最陌生的认知》）。每列传感器都有一个模数转换器(ADC)，它“逐列”读取电荷数据，并将其传输到并行处理总线、信号放大器，最后传输到图像处理器。

示意图如图3-2所示。

图3-2

3.3 前照式和背照式

CMOS图像传感器根据其结构可分为两种类型：前照式和背照式。

传统CMOS中的光电二极管位于传感器底部、金属线下方，入射光从正面（与电路连接的一侧）进入光电二极管。因此，这种类型的CMOS 传感器被称为“前置传感器”。光传感器”（FSI，前面）。侧面照明传感器）。如图3-3所示：

图3-3

前照式传感器有一个最大的缺点。

当光照射到光电二极管时，它必须首先穿过电路。电路中的金属线反射一些入射光。这不仅直接降低了光利用率，而且还因光散射而增加了噪声。系统并降低传感器容差。

随后对前照式设计进行了完善和升级，以提高传感器在弱光环境下的感光性能并降低系统噪声。光电二极管放置在电路顶部，入射光直接穿过滤光片。从背面（电路的另一侧）输入二极管。因此，这种类型的CMOS被称为“背照式传感器”（BSI，背照式传感器）。如图3-4所示：

图3-4

背照式传感器的优点是：

它显着缩短了光线到达光电二极管的路径，减少了光散射，使光线更加集中，提高了弱光环境下的感光度，降低了系统噪声和串扰。背照式设计是CMOS技术的重大改进，与传统CMOS相比具有显着的竞争优势。

4. CCD vs CMOS 最后，我们简单比较一下两类图像传感器的优缺点。

4.1 CCD的优缺点

CCD传感器的主要优点是图像质量高（噪声低）和灵敏度高（受光面积大），但也存在能耗高、发热量高、制造成本高、处理效率低等问题。缺点。 CCD主要应用于对图像质量和耐用性要求高的领域，例如航空航天和医学。

4.2 CMOS的优缺点

由于每个像素都有一个独立的放大器，并且每列都有一个模数信号转换器，因此CMOS 传感器在处理数据方面比CCD 更高效。由于所需电压比CCD低，因此功耗显着降低，并且不存在发热问题。由于制造成本低，CMOS具有技术应用广泛、商业化程度高的优点。 CCD不具备CMOS的这些优点。

然而，CMOS 并不完美。大量信号放大器的加入固然提高了数据处理效率，但系统的本底噪声也不可避免地增大，最终图像中的噪声问题更加明显，图像质量表现也不太好。 CCD另外，CMOS的像素面积（受光面）比全画幅CCD小，因此其弱光性能不如全画幅CCD。

CMOS凭借体积小、成本低、能耗低等优势，一直在消费数码相机和手机摄影领域占据主导地位，但这并不意味着CCD被淘汰出市场。只有两个人会取代谁。每个人都有自己的善良，每个人都有自己的世界。

总结看全文，我们从原子结构的角度入手，介绍了半导体，然后详细讨论了CCD和CMOS，并简要介绍了它们的物理结构和工作原理。这篇文章虽长，但仍难免有疏漏，称不上全面。因为传感器的现实世界比我们想象的要复杂和广阔得多。由于篇幅和个人能力限制，【影像学派】只能提供简单介绍，但请以此为起点。如果读者能纠正任何不足之处，我将不胜感激。

参考文献[1] Mortimer Abramowitz，Michael W. Davidson，

数字成像技术概念，yamamatsu.magnet.fsu.edu

[2] Elizabeth Allen，Sophie Triantafilidou，《摄影手册》（第10 版），牛津焦点出版社。

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