CCD與CMOS感光芯片的比較

大家知道，CCD和CMOS是目前數字相機上常用的兩種感光芯片。這兩者之間有什麽差別，到底哪一種更好呢？最近一位朋友點評CCD和CMOS的話題激起了我的好奇心，於是我在網上Google了一番，編輯成文，與各位朋友分享。

先來看一張照片，這是Olympus E1 CCD感光套件，包含超聲波除塵器。

無論CCD 或CMOS，兩者基本上都是利用矽感光二極體（photodiode）進行光與電的轉換。這種轉換的原理與太陽能電池效應相近，光線越強電力越強；反之，光線越弱電力也越弱。於是光影被像轉換為相應的電子數字信號。

比較 CCD 和 CMOS 的結構，放大器的位置和數量是最大的不同。簡單的說，CCD每曝光一次，在快門關閉後進行像素轉移處理，將每一行中每一個像素（pixel）的電荷信號依序傳入“緩衝器”中，由底端的線路引導輸出至CCD 旁的放大器進行放大，再串聯放大器的輸出；相對地，CMOS 的設計中每個像素旁就直接連著放大器（放大兼類比數字信號轉換器），訊號直接放大並轉換成數字信號。

兩者優缺點的比較：

	CCD	CMOS
設計	單一感光器	感光器連接放大器
靈敏度	同樣麵積下較高	感光開口小，靈敏度低
成本	線路品質影響程度高，成本高	整合集成，成本低
解析度	連接複雜度低，解析度高	傳統技術低，新技術高
噪點比	單一放大，噪點低	百萬放大，噪點高
功耗比	需外加電壓，功耗高	直接放大，功耗低

兩者結構的比較：

CCD的特色在於充分保持信號在傳輸時不失真（專屬通道設計），透過每一個像素集合至單一放大器上再做統一處理，可以保持資料的完整性；CMOS的製程較簡單，沒有專屬通道的設計，因此必須先行放大再整合各個像素的資料。

整體來說，CCD與CMOS兩種設計的應用反應在成像效果上，形成包括ISO感光度、製造成本、解析度、噪點與耗電量等不同類型的差異：

ISO 感光度差異：由於CMOS每個像素包含了放大器與A/D轉換電路，過多的額外設備壓縮單一像素的感光區域的表麵積，因此相同像素下同樣大小之感光器尺寸，CMOS的感光度會低於CCD。

成本差異：CMOS應用半導體工業常用的MOS製程，可以一次整合全部周邊設施於單晶片中，節省加工晶片所需負擔的成本和良率的損失；相對地CCD采用電荷傳遞的方式輸出資訊，必須另辟傳輸通道，如果通道中有一個像素故障（Fail），就會導致一整排的訊號壅塞無法傳遞，因此CCD 的良率比CMOS低，加上另辟傳輸通道和外加放大器等周邊，CCD的製造成本相對高於CMOS。

解析度差異：在第一點“感光度差異”中，由於CMOS每個像素的結構比CCD複雜，其感光開口不及CCD大， 相對比較相同尺寸的CCD與CMOS感光器時，CCD感光器的解析度通常會優於CMOS。不過，如果跳脫尺寸限製，目前業界的CMOS 感光原件已經可達到1400萬像素/全片幅的設計，CMOS 技術在量率上的優勢可以克服大尺寸感光原件製造上的困難，特別是全片幅24mm-by-36mm 這樣的大小。

噪點差異：由於CMOS每個感光二極體旁都搭配一個放大器，如果以百萬像素計，那麽就需要百萬個以上的放大器，雖然是統一製造下的產品，但是每個放大器或多或少都有些微的差異存在，很難達到放大同步的效果，對比單一個放大器的CCD，CMOS最終計算出的噪點就比較多。 　　

耗電量差異：CMOS的影像電荷驅動方式為主動式，感光二極體所產生的電荷會直接由旁邊的電晶體做放大輸出；但CCD卻為被動式，必須外加電壓讓每個像素中的電荷移動至傳輸通道。而這外加電壓通常需要12伏特（V）以上的水平，因此CCD還必須要有更精密的電源線路設計和耐壓強度，高驅動電壓使CCD的電量遠高於CMOS。

盡管CCD在影像品質等各方麵均優於CMOS，但不可否認的CMOS具有低成本低耗電以及高整合度的特性。由於數碼影像的需求熱烈，CMOS的低成本和穩定供貨，成為廠商的最愛，也因此其製造技術不斷地改良更新，使得CCD與CMOS兩者的差異逐漸縮小。新一代的CCD朝向耗電量減少作為改進目標，以期進入照相手機的行動通訊市場；CMOS係列則開始朝向大尺寸麵積與高速影像處理晶片統合，藉由後續的影像處理修正噪點以及畫質表現。

[文中內容引自以下兩篇文章：]

CCD 和CMOS感光元件的區別

數碼相機 CCD和CMOS的區別