科技在進(jìn)步，市場(chǎng)也日新月異，影響產(chǎn)品競爭力的因素不再只是技術(shù)，還包括商業(yè)利益。圖像傳感器的應用范圍也發(fā)生了變化，需要滿(mǎn)足更多不同的需求。

　　

有一些應用是CMOS成像器的強項，另一些則是CCD的優(yōu)勢。在本文中，我們也不討論孰強孰弱，只是深入探討一下這兩種圖像傳感器在不同領(lǐng)域的應用和發(fā)展情況，以方便大家根據自身的實(shí)際情況作出正確的選擇。

　　

 

　　

數碼相機

 

早期，在數碼相機領(lǐng)域，CCD是無(wú)可爭議的霸主，絕大部分數碼相機都采用CCD成像，只有佳能在自己的高端單反相機型號上采用CMOS元件。不過(guò)近年來(lái)，CMOS發(fā)展勢頭迅猛，幾乎已經(jīng)在家用單反相機中一統江湖。

 

CCD元件的色彩飽和度好，圖像較為銳利，質(zhì)感更加真實(shí)，特別是在較低感光度下的表現很好。不過(guò)，CCD元件的制造成本高，在高感光度下的表現不太好，而且功耗較大。

 

CMOS的色彩飽和度和質(zhì)感則略差于CCD，但處理芯片可以彌補這些差距。重要的是，CMOS具備硬件降噪機制，在高感光度下的表現要好于CCD，此外，它的讀取速度也更快。

 

這些特性特別適合性能較高的單反相機，因此目前市場(chǎng)中常見(jiàn)的單反數碼相機幾乎都采用了CMOS傳感器。這些裝備了CMOS傳感器的數碼相機甚至具備了拍攝全高清（FullHD）視頻的能力，這是使用CCD的數碼相機目前無(wú)法做到的。

CMOS另一個(gè)優(yōu)勢就是非常省電，只有普通CCD的1/3左右。雖然CMOS元件在低感光度下的表現比CCD差，特別是在小尺寸的家用消費類(lèi)相機成像元件上，由于像素面積小，這個(gè)缺陷就更為明顯。

 

但背照式CMOS（backsideilluminatedCMOS）傳感器的出現，解決了這一問(wèn)題。

 

目前的態(tài)勢是：CMOS已經(jīng)占據了可更換鏡頭的高端數碼相機市場(chǎng)，并借助背照式CMOS殺入消費類(lèi)數碼相機市場(chǎng)。

 

　　

萊卡相機

 

目前在數碼相機領(lǐng)域，目前只有萊卡公司的多款數碼產(chǎn)品以及一些中畫(huà)幅數碼相機或數碼后背仍然在使用CCD傳感器，這是因為不同產(chǎn)品對畫(huà)質(zhì)有著(zhù)不同的要求，所以那些中畫(huà)幅的數碼產(chǎn)品也的價(jià)格也往往會(huì )高出普通數碼相機許多。

　　

 

數碼攝像機

　　

首先，我們先了解一下CCD攝像機的工作方式：被攝物體的圖像經(jīng)過(guò)鏡頭聚焦至CCD芯片上，CCD根據光的強弱積累相應比例的電荷，各個(gè)像素積累的電荷在視頻時(shí)序的控制下，逐點(diǎn)外移，經(jīng)濾波、放大處理后，形成視頻信號輸出。

　　

視頻信號連接到監視器或電視機的視頻輸入端便可以看到與原始圖像相同的視頻圖像。CCD在工作時(shí)，上百萬(wàn)個(gè)像素感光后會(huì )生成上百萬(wàn)個(gè)電荷，所有的電荷全部經(jīng)過(guò)一個(gè)“放大器”進(jìn)行電壓轉變，形成電子信號，因此，這個(gè)“放大器”就成為了一個(gè)制約圖像處理速度的“瓶頸”，所有電荷由單一通道輸出，就像千軍萬(wàn)馬從一座橋上通過(guò)，當數據量大的時(shí)候就發(fā)生信號“擁堵”，而HDV格式卻恰恰需要在短時(shí)間內處理大量數據，因此，在民用級產(chǎn)品中使用單CCD無(wú)法滿(mǎn)足高速讀取高清數據的需要。

　　

CCD器件由硅材料制成，對近紅外比較敏感，光譜響應可延伸至1.0um左右。夜間隱蔽監視時(shí)，可以用近紅外燈照明，人眼看不清環(huán)境情況，在監視器上卻可以清晰成像。但是CCD傳感器表面有一層吸收紫外的透明電極，所以CCD對紫外不敏感。

　　

CMOS在工作時(shí)，每個(gè)像素點(diǎn)都有一個(gè)單獨的放大器轉換輸出，因此CMOS沒(méi)有CCD的“瓶頸”問(wèn)題，能夠在短時(shí)間內處理大量數據，輸出高清影像，因此也能都滿(mǎn)足HDV（高清數碼攝像機）的需求。

　　

另外，CMOS工作所需要的電壓比CCD低很多，功耗大約只有CCD的1/3。因此，電池尺寸可以做得更小，使得攝像機的體積也就做得更小。而且，每個(gè)CMOS都有單獨的數據處理能力，這也大大減少的集成電路的體積，這也讓高清數碼攝像機得以實(shí)現小型化。

　　

另外， CCD傳感器通常能看到照度是0.1~3Lux，CMOS傳感器的感光度一般在6到15Lux的范圍內，CCD是CMOS傳感器感光度的3到10倍，且CMOS傳感器有固定比CCD傳感器高10倍的噪音，固定的圖案噪音始終停留在屏幕上好像那就是一個(gè)圖案。因此在早期，大量應用的所有攝像機都是用了CCD傳感器，CMOS傳感器一般用于低端的家庭安全方面。

　　

但是，也有例外，就CMOS傳感器可以做得非常大并有和CCD傳感器同樣的感光度，CMOS傳感器非?？焖?，比CCD傳感器要快10到100倍，因此非常適用于特殊應用如HDV（高清數碼攝像機）或者高幀攝像機。

CMOS傳感器可以將所有邏輯和控制環(huán)都放在同一個(gè)硅芯片塊上，可以使攝像機變得簡(jiǎn)單并易于攜帶，因此CMOS攝像機可以做得非常小。

 

隨著(zhù)CMOS在制造工藝和影像處理技術(shù)上的不斷突破， CMOS的前景也越來(lái)越樂(lè )觀(guān)。高清數字影像的普及更是CMOS技術(shù)發(fā)展的一個(gè)難得機遇。

而且，與CCD相比，CMOS的制造原理更加簡(jiǎn)單，體積更小，功耗可以大大的降低。種種跡像表明：盡管從目前的狀況看，CMOS與CCD圖像傳感器的應用市場(chǎng)仍然有一個(gè)分界，但這個(gè)界限已經(jīng)越來(lái)越模糊。

　　

　　

由于CCD感光單元有效面積大，在光照強度較低的環(huán)境中，能相對清晰地呈現出被攝物體原貌。相反，CMOS傳感器靈敏度低，ISO感光度差，低照時(shí)成像清晰度大大降低。所以，在低照度環(huán)境下，如燈光較暗的停車(chē)場(chǎng)、樓梯間、封閉通道和暗室等，宜選用感光靈敏的CCD攝像機。

　　

　　

CMOS傳感器可以將所有邏輯和控制環(huán)都放在同一個(gè)硅芯片塊上，使攝像機變得簡(jiǎn)單靈巧，因此CMOS攝像機可以做得非常小。而CCD攝像機限于外圍復雜電路影響，體積無(wú)法做到CMOS般微型化。對于道路、門(mén)口等攝像機易受不法分子攻擊破壞的場(chǎng)合，選用CMOS攝像機能達到隱蔽執法、避免攻擊的作用。

　　

　　

CCD結構中由于每行僅有一個(gè)ADC,信號放大比例一致，所以圖像還原真實(shí)自然、噪點(diǎn)低，在對畫(huà)質(zhì)要求苛刻的場(chǎng)合宜選用CCD攝像機。

　　

　　

前面提到過(guò)，CCD傳感器在數據處理方面存在“瓶頸”。而 CMOS傳感器不需要復雜的處理過(guò)程，直接將圖像半導體產(chǎn)生的光電信號轉變成數字信號，因此處理非?？?。這個(gè)優(yōu)點(diǎn)使得CMOS傳感器對于高幀攝像機非常有用，速度能達到400到2000幀/秒。所以對于高速攝像場(chǎng)所，選用CMOS攝像機效果更佳。

　　

 

　　

手機CMOS傳感器

 

　

行車(chē)記錄儀

 

我們知道相比于CCD傳感器，CMOS傳感器在功耗、體積及制造成本方面有著(zhù)不可比擬的優(yōu)勢，而這些正在生產(chǎn)廠(chǎng)家在大規模市場(chǎng)應用中絕對不可忽視的因素。得益于智能手機、汽車(chē)行駛記錄儀及網(wǎng)絡(luò )監控市場(chǎng)近幾年的高速增長(cháng)，CMOS傳感器在資金、技術(shù)投入方面獲得了巨大支持。

 

據估測，受手機市場(chǎng)和汽車(chē)市場(chǎng)的推動(dòng)，CMOS圖像傳感器市場(chǎng)從2014年開(kāi)始，至2020年間的年均增長(cháng)率將保持在10.6％左右，到2020年，市場(chǎng)規模預計將達到162億美元。

 

　　

CMOS市場(chǎng)藍圖

　　

為了實(shí)現低能耗和小型組件的高度集成，CMOS設計師開(kāi)始關(guān)注開(kāi)發(fā)手機成像器——世界上規模最大的成像器應用。大量資金投入到開(kāi)發(fā)和微調CMOS成像器及其生產(chǎn)工藝方面。正因為此，CMOS成像器的圖像質(zhì)量即使在像素尺寸收縮的情況下仍然大為改善。

　　

CCD成像質(zhì)量好，但是制造工藝復雜，能夠生產(chǎn)的廠(chǎng)家也比較少，價(jià)格也相對來(lái)說(shuō)比較高，并且功耗也很高，因此，不適合在移動(dòng)設備上使用。而CMOS傳感器耗電低，但是畫(huà)質(zhì)水平比不上CCD，不過(guò)隨著(zhù)技術(shù)的提高，COMS的畫(huà)質(zhì)已經(jīng)逐步趕上了CCD,另外，在相同分辨率下，CMOS價(jià)格比CCD便宜，所以目前市面上的手機攝像頭都采用CMOS傳感器。

　　

通常CMOS傳感器又會(huì )分為：背照式CMOS傳感器和堆棧式CMOS傳感器。

 

　　

背照式CMOS傳感器

　　

　

堆棧式CMOS

　　

所謂背照式CMOS傳感器其實(shí)是與傳統正照式CMOS傳感器相對的。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是將光電二極管和布線(xiàn)層進(jìn)行對調，從而讓光線(xiàn)首先進(jìn)入感光電二極管，從而增大感光量，顯著(zhù)提高低光照條件下的拍攝效果。像我們所熟知的iPhon、小米、魅族都是搭載的這類(lèi)傳感器。

 

而堆棧式CMOS傳感器則是背照式CMOS傳感器的衍生產(chǎn)物，它是目前手機攝像頭中應用最廣泛的一種，也是最先進(jìn)的一種，屬于索尼的獨家技術(shù)。

 

堆棧式CMOS傳感器使用有信號處理電路的芯片替代了原來(lái)背照CMOS圖像傳感器的支持基板，在芯片上重疊形成背照CMOS元件的像素部分，從而實(shí)現了在較小的芯片尺寸上形成大量像素點(diǎn)的工藝。由于像素部分和電路部分分別獨立，因此像素部分可針對高畫(huà)質(zhì)優(yōu)化，電路部分可針對高性能優(yōu)化。

 

需要說(shuō)明的是感光元件只是手機類(lèi)攝像頭組成中不可或缺的一部分，但不是成像質(zhì)量的決定性因素，這其中還包括廠(chǎng)商通過(guò)軟件對硬件的優(yōu)化調校，使其讓人感覺(jué)最好的效果，這也是目前各家廠(chǎng)商在手機攝像畫(huà)質(zhì)方面效果差異最大的決定性因素之一。

 

　

手機攝像頭

　　

　　

看了上面的內容，可能容易讓人造成一種錯覺(jué)，是不是經(jīng)過(guò)這么多年的發(fā)展，CCD傳感器真的已經(jīng)被CMOS傳感器全面超越了呢？其實(shí)不然。

　　

自從1610年伽利略將他的望遠鏡對向遙遠的天空，世界上還沒(méi)有任何一個(gè)事件有如“哈勃”空間望遠鏡如此巨大地改變了人類(lèi)對宇宙的認識。

 

　　

航天攝像

　　

1990年美國國家航空航天局采用CCD數字成像技術(shù)，將有史以來(lái)最大最精確的“哈勃”空間望遠鏡送上了太空軌道。從1.6萬(wàn)公里以外的螢火蟲(chóng)，到相距130億光年的古老星系，她成功的創(chuàng )造了一個(gè)個(gè)空間觀(guān)測奇跡，包括發(fā)現黑洞存在的證據，探測到恒星和星系的早期形成過(guò)程。

　　

這就是我們都熟知的哈勃空間望遠鏡中的CCD應用。用一幅圖，就足以證明CCD的偉大。

 

　

哈勃星云

　　

2011年7月，歐空局為新衛星配十億像素數碼相機。其使用106塊獨立的電子探測器件合成了世界上有史以來(lái)為太空計劃建造過(guò)的最大像素數碼相機。

　　

這臺被稱(chēng)作“十億像素陣列”的相機安裝在歐洲空間局發(fā)射的“蓋亞”探測器上，成為它超靈敏的眼睛。為了探測到比肉眼可見(jiàn)暗數百萬(wàn)倍的恒星，蓋亞探測器需要配備超高靈敏度的相機。這臺相機就是由106個(gè)CCD（電子耦合器件）制作而成的。

 

　

歐空局衛星

　　

中國首顆繞月人造衛星嫦娥一號，資源一號衛星、嫦娥二號、海洋一號等眾多航天探測器也都是使用CCD作為超高靈敏度的相機核心部件。這足以說(shuō)明CCD在太空影像的核心地位。

　　

CCD不僅是超高清成像設備部件，同樣有著(zhù)極強的耐用性。太空的環(huán)境與地球環(huán)境相比，不用多言，太空已成為高寒的環(huán)境，平均溫度為零下270.3℃。

　　

在太空中，各種天體也向外輻射電磁波，許多天體還向外輻射高能粒子，形成宇宙射線(xiàn)。如太陽(yáng)有太陽(yáng)電磁輻射，太陽(yáng)宇宙線(xiàn)輻射和太陽(yáng)風(fēng)。相機作為獲取太空影像信息的核心部件，其在太空環(huán)境下的壽命至關(guān)重要的。而CCD探測器長(cháng)達幾十年的

　　

設計壽命，完美的滿(mǎn)足了高清和耐用兩個(gè)剛性指標。

　　

CCD探測器在航天航空領(lǐng)域不斷的發(fā)展，同樣的，其在醫用領(lǐng)域，CCD也是最常用的圖像傳感器。近年來(lái)，CCD探測器更是突破材料極限，采用新的設計思路，使得CCD探測器能夠輸出大幅面動(dòng)態(tài)影像，在醫學(xué)臨床診斷上有里程碑式的意義。醫用CCD技術(shù)，與航天航空CCD技術(shù)一脈相承，可以說(shuō)，有著(zhù)非常過(guò)硬的質(zhì)量和廣泛的應用前景。

　　

Medical醫用顯微內窺鏡。利用超小型的CCD攝像機或光纖圖像傳輸內窺鏡系統，可以實(shí)現人體顯微手術(shù)，減小手術(shù)刀口的尺寸，減小傷口感染的可能性，減輕病人的痛苦。同時(shí)還可進(jìn)行實(shí)時(shí)遠程會(huì )診和現場(chǎng)教學(xué)。
 

實(shí)際上，直到現在，CCD探測器在醫學(xué)、航天、航空、遙感模塊轉換圖像幀獲取、衛星偵察、天文觀(guān)測、通訊、交通、機械、鋼鐵、電子、計算機、機器人視覺(jué)、新聞、廣播、電影、電視、金融、出版、印刷、紡織、食品、照相、文教、公安、保衛、家電、旅游等各個(gè)領(lǐng)域一直都有非常強勁和深入的發(fā)展。

 

另外，無(wú)論是CMOS或是CCD，市場(chǎng)在售的圖像傳感器的價(jià)格比全定制圖像傳感器要低得多。如果非要定制，除非變化很小，那么定制CCD成像器的價(jià)格一般低于定制CMOS的價(jià)格。

 

由于CMOS成像器采用的深亞微米掩膜價(jià)格較高，因此CMOS成像器的研發(fā)價(jià)格也相應地高于CCD成像器。此外，CMOS設備需要設計的電路也更多。因此，即使定制CMOS成像器的應用性能較好，但是考慮到價(jià)格因素，客戶(hù)仍然更加親睞定制CCD成像器。

 

 

多年以前，當CMOS這種傳感器還并沒(méi)有完全被廣泛應用的時(shí)候，CCD牢牢占據著(zhù)當時(shí)大部分數碼相機最核心的位置。

隨著(zhù)科技的發(fā)展，技術(shù)的不斷提高，CMOS作為后起之秀已經(jīng)逐漸在取代前者CCD的地位并且不斷的自我改良。優(yōu)勝劣汰，這是自然中所有行業(yè)都要遵循的法則。

 

將來(lái)，在照相機市場(chǎng)的主要發(fā)展方向任然會(huì )是以CMOS作為核心，并在這個(gè)基礎上不斷提高CMOS的分辨率以及靈敏度等等。

 

時(shí)代在進(jìn)步，節約成本是每個(gè)商家都在堅持的經(jīng)商法則，CCD的未來(lái)不一定在相機市場(chǎng)里，在其他領(lǐng)域，CCD也會(huì )憑借著(zhù)自身的優(yōu)勢而被廣泛的使用。

 

科技不斷發(fā)展，我相信在未來(lái)的某一天，一定會(huì )有更多種類(lèi)的傳感器出現，這也只是時(shí)間的問(wèn)題，到那時(shí)我們回望過(guò)去，看看我們曾經(jīng)經(jīng)歷過(guò)的膠片時(shí)代、CCD時(shí)代和CMOS時(shí)代，一定會(huì )由衷的感嘆科技日新月異的飛速發(fā)展。

 

本文轉載至傳感器技術(shù)。