CCD(電荷耦合器件)和CMOS(互補金屬氧化物半導體)圖像傳感器都用來捕獲數(shù)字圖像，但各有優(yōu)缺點。

　　本文介紹了各自的功能及其優(yōu)缺點，特別是在滿足攝像手機市場要求方面。對大多數(shù)攝像手機設計來說，成像傳感器的部分具體要求包括：

　　* PC電路板上的空間異常寶貴，因此體積非常小的器件
　　* 需要非常低的功耗，以延長電池工作時間
　　* 大批量、可靠、優(yōu)質(zhì)制造，保證在購買旺季時向消費者不間斷提供產(chǎn)品
　　* 縮減成本，使手機價格保持在消費者可以接受的水平
　　* 異常強健 (必須通過破壞數(shù)字靜止攝像機的下落測試)

　　CCD技術是在20世紀70年代和80年代開發(fā)的，經(jīng)過大約30年的生產(chǎn)和制造工藝改進，CCD成像器已經(jīng)高度優(yōu)化，可以產(chǎn)生秀的數(shù)字圖像質(zhì)量。今天，它們已經(jīng)成為數(shù)字靜止攝像機和便攜式攝像機的流行技術。與CMOS不同，CCD采用專用成像特定工藝制造，裝配和維護成本較高，只能在數(shù)量有限的成像器輸出中分攤成本，其輸出數(shù)量一年只有幾百萬顆，相比之下，CMOS處理器的輸出數(shù)量要達到幾千萬或幾億。

　　CMOS圖像傳感器要小得多，其功耗要低于CCD傳感器，但目前提供的圖像質(zhì)量較差。CMOS已經(jīng)成為手機、視頻會議使用的PC攝像機、掃描儀、條形碼閱讀機和安全攝像機的支柱。CMOS成像器采用大批量鑄造廠中采用的標準CMOS硅工藝，因此CMOS成像器中也實現(xiàn)了主流CMOS半導體行業(yè)中的工藝改進或材料改良。在CMOS中，可以在同一個制造工藝中簡便地集成時鐘驅動器、模數(shù)轉換器(ADC)或數(shù)字邏輯等電路，甚至可以在同一張芯片上制造這些電路。

　　對CCD傳感器和CMOS傳感器來說，終圖像的質(zhì)量都受到以下幾種因素的影響：

　　* 圖像信號中引入的噪聲
　　* 幾何畸變 (鞍形畸變或桶形畸變)
　　* 圖片的清晰度和焦距
　　* 曝光度或明亮度
　　* 色彩質(zhì)量

　　過去的處理器中的大部分電路是為了“清除”和校正圖像捕獲環(huán)節(jié)引入的圖像不理想而設計的。

　　CCD圖像傳感器的工作方式

　　在CCD中(圖1)，對每個像素，光落在一個光電二極管上，光電二極管產(chǎn)生一個與落在上面的光的數(shù)量直接成比例的電荷。在光電二極管旁邊的每個圖像元件上的電荷傳送寄存器(CTR)中捕獲形成的電荷。這個電荷從A行的CTR傳送到讀數(shù)寄存器(R行)中。讀數(shù)寄存器把這一電荷饋送到放大器中，然后饋送到模數(shù)轉換器(ADC)，之后進行復位，以便能夠從下一行(B行)像素中接受電荷，然后再次傳送到輸出放大器，之后傳送到ADC上。這一過程一直重復，直到讀取了所有行。A行上的電荷與B行上的電荷耦合，B行上的電荷與C行上的電荷耦合，依此類推。在A上的電荷到達R時，B移動到A，C移動到B，依此類推。

　　通過這種方法，可以實現(xiàn)噪聲非常低的高性能傳感器。但是，這種專門化意味著其它電路必須位于芯片之外，因此增加了設計復雜度和成本。由于CCD成像器正常運行還需要許多時鐘信號和偏置電壓，因此進一步提高了功耗，增加了成本，加大了整體尺寸。

　　CCD的優(yōu)點

　　CCD成像器提供更加自然的色彩，大大改善了低亮度時的性能，提高了清晰度。另外，CCD成像器的質(zhì)量一致性更高，同一部件之間的變化非常小。

　　CCD的缺點

　　CCD成像器主要的缺點是成本高。CCD成像器設計也更加復雜，它不是單芯片器件，因此在手機設計中實現(xiàn)的成本要更高。CCD成像器通常需要更多的支持芯片，這些芯片要占用額外的空間，要耗用功率，發(fā)出更多的熱量。

　　CMOS圖像傳感器的工作方式

　　CMOS成像器(圖2)也有一個圖像元件，其中包含一個光電二極管。但是CMOS成像器不在芯片的單獨部分或在芯片外存儲或處理電荷，而是在光電二極管旁邊進行處理。這種處理包括電荷到電壓轉換、放大非常低的光電二極管信號及降低噪聲等其它處理。這樣可以降低功耗，加快圖像處理速度。但是，這種“圖像元件上”的處理電路也有自己的缺點。電荷轉換和放大占用了額外的空間，降低了捕獲光子使用的空間。這導致CMOS的占空系數(shù)低于CCD。

　　占空系數(shù)是采集光線專用的一個像素所占的百分比。對CCD傳感器來說，占空系數(shù)是100%，而對一般的CMOS傳感器來說，占空系數(shù)更可能在60–70%之間。這意味著CMOS傳感器在低亮度條件下傳感能力較差。通過降低處理電路容量，可以提高CMOS傳感器的占空系數(shù)，微型透鏡可以幫助聚焦進入圖像元件非光電二極管部分的光線重定向到光電二極管上。

　　互連的金屬層使得每個像素可以直接尋址，也可以使用一個簡單的x-y尋址方案實現(xiàn)定時和讀數(shù)，并直接接入每個圖像元件。而CCD技術則需要逐行讀取電荷。網(wǎng)格上的列線路連接到解碼電路上。

　　CMOS成像器在輸出信號中一般噪聲更高。其原因之一是CMOS成像器對每個圖像元件有一個轉換器和放大器，由于制造和工藝變化，每個轉換器/放大器與相鄰圖像元件中的轉換器/放大器略有不同。這會導致在圖像信號各個部分增加不同程度、不同類型的噪聲，從而提高整體噪聲的程度及噪聲總量。另一方面，CCD成像器對整個像素陣列只有一個轉換器和放大器，因此圖像信號要更加一致，且可以分布增加到信號中的噪聲。

　　安捷倫超小型百萬像素CMOS傳感器是為攝像手機而優(yōu)化的，在同一個芯片上內(nèi)置圖像處理和JPEG壓縮功能，節(jié)約了攝像手機設計人員的時間和空間。它還生成預先壓縮的快速數(shù)據(jù)輸出，可以明顯提高發(fā)送圖像或者在手機相冊中存儲圖像的速度。圖3是Agilent 3850 SXGA傳感器，這是一種單芯片CMOS傳感器及具有JPEG壓縮功能的數(shù)字圖像信號處理器。

　　CMOS的優(yōu)點

　　功耗低：CMOS傳感器在操作時可能只會消耗30-60mW的功率。在備用模式下，許多手機制造商無源功耗不超過100μA。

　　體積小，實現(xiàn)功能集成：由于手機內(nèi)外空間非常匱乏，基于CMOS的攝像機是一個自然之選。CMOS傳感器可以簡便地把圖像捕獲和后期處理功能融合到一個芯片系統(tǒng)上。減少芯片數(shù)量意味著降低封裝復雜度，提高大批量制造的可靠性。它還有助于提升可靠性，簡化微型化，縮減整體成本。

　　迅速設計，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期：CMOS圖像傳感器要更加簡單，因此應用設計更加簡便、更迅速。它們可以加快產(chǎn)品開發(fā)周期，特別是更新?lián)Q代很快的消費品，如手機或DSC。

　　價格低：CMOS成像器采用CMOS的標準制造工藝，價格要低得多。

　　CMOS的缺點

　　* 為在降低黑色噪聲的情況下生成明亮的圖片，需要的光線要高于CCD
　　* 制造變化的一致性不如CCD成像器
　　* 對成像領域相對較新，因此不像CCD那樣經(jīng)過驗證
　　* 不能支持非常高的分辨率(一般超過500萬像素)

　　附圖：

作者介紹：
Feisal Mosleh是移動成像業(yè)務分部市場經(jīng)理，該部門為世界上許多的手機制造商提供CMOS傳感器和圖像處理器。在加入安捷倫以前，F(xiàn)eisal先后擔任Vernier Networks、Agiliti和Jamcracker公司的市場副總裁及其它產(chǎn)品管理職位。他還經(jīng)營過自己的戰(zhàn)略市場顧問公司。

Feisal曾在惠普公司從事多年的B2B新興企業(yè)業(yè)務。在1999年前，他領導惠普以互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務為重點的風險投資工作，并籌建了惠普電子商務風險投資基金。此前，他負責惠普互聯(lián)網(wǎng)軟件事業(yè)部的市場宣傳和業(yè)務拓展工作。Feisal跨越多個職能機構的經(jīng)驗有：多次領導重大軟件開發(fā)項目，管理銷售團隊購買新興網(wǎng)絡企業(yè)的股權。

在加入惠普公司以前，F(xiàn)eisal負責IBM英國公司的分布式交易處理業(yè)務的銷售和市場工作。他在IBM英國Hursley實驗室開始自己的職業(yè)生涯，在那里開發(fā)關鍵事務型軟件，如CICS和MQ。

Feisal從倫敦大學皇家學院獲物理學學士學位(榮譽學位)，從英格蘭達拉謨大學榮獲電子工程碩士學位。