CCD和CMOS和sCMOS详解

1.传统相机与数码相机
1.1传统相机成像过程
1．镜头把景物影象聚焦在胶片上；
2. 片上的感光剂随光发生变化；
3. 片上受光后变化了的感光剂经显影液显影和定影；
4. 形成和景物相反或色彩互补的影象；
5. 所形成的像是实像。

1.2数码相机成像过程
1．经过镜头光聚焦在CCD或CMOS上；
2．CCD或CMOS将光转换成电信号；
3．经处理器加工，记录在相机的内存上；
4．通过电脑处理和显示器的电光转换，或经打印机打印便形成影象。具体过程：光线从镜头进入相机，CCD进行滤色、感光（光电转化），按照一定的排列方式将拍摄物体“分解”成了一个一个的像素点，这些像素点以模拟图像信号的形式转移到“模数转换器”上，转换成数字信号，传送到图像处理器上，处理成真正的图像，之后压缩存储到存储介质中。

对胶片相机而言，景物的反射光线经过镜头的会聚，在胶片上形成潜应影，这个潜影是光和胶片上的乳剂产生化学反应的结果。再经过显影和定影处理就形成了影像。

数码相机是通过光学系统将影像聚焦在成像元件CCD/ CMOS 上，通过A/D转换器将每个像素上光电信号转变成数码信号，再经DSP处理成数码图像，存储到存储介质当中。

而获取图像数据的传感器CCD和CMOS有什么区别呢？

2.数码相机传感器CCD和CMOS的区别

2.1 CCD
CCD的英文全称是“Charge-coupledDevice”，中文全称是电荷耦合元件，通常称为CCD图像传感器。CCD是一种半导体器件，能够把光学影像转化为数字信号，CCD上植入的微小光敏物质称作像素(Pixel)，一块CCD上包含的像素数越多，其提供的画面分辨率也就越高。CCD作用就像胶片一样，但它是把图像像素转换成数字信号，CCD上有许多排列整齐的电容，能感应光线，并将影像转变成数字信号。经由外部电路的控制，每个小电容能将其所带的电行转给它相邻的电容。

CCD是蚀刻在硅表面形成光敏元件(像素)的集成电路。光子落在这个表面上产生电荷，可以被电子学读取并转化为数字信号。 CCD的尺寸可以根据不同的应用类型而变化，通常适用于科学领域。与其他传感器一样，CCD可以被可视化为一组收集雨水(光子)的桶(像素)，每个桶暴露在雨中相同的时间。曝光用不同数量的光子填充像素，然后每次读取一个像素。这个过程从将光子发射到邻近的空圆柱开始。这一列中的像素将它们的光子传输到最后一个像素，相机的电路读出这个像素并将它转换成一个可以被计算机理解和存储的数字。

CCD图像传感器可直接将光学信号转换为模拟电流信号，电流信号经过放大和模数转换，实现图像的获取、存储、传输.处理和重现，CCO图像传感器具有如下特点：
(1)体积小重量轻;
(2)功耗小，工作电压低;抗冲击与震动，性能稳定，寿命长;
(3)灵敏度高，噪声低，动态范围大;
(4)响应速度快，有自扫描功能，图像畸变小，无残像;
(5)应用超大规模集成电路工艺技术生产，像素集成度高，尺寸精确，商品化生产成本低。

CCD类型的传感器越来越不受欢迎，索尼宣布到2025年停止他们的生产线后，他们的使用也在下降。虽然相当慢，但它们的主要优势仍然在于最长曝光时间和ADC是16位或更多。

CCD的优势：在于成像质量好，但是由于制造工艺复杂，只有少数的厂商能够掌握，所以导致制造成本居高不下，特别是大型CCD，价格非常高昂。

2.2 COMS
CMOS(CompementaryMetalOxideSemiconductor)指互补金属氧化物半导体，是电压控制的一种放大器件，是组成CMOS数字集成电路的基本单元。在数字影像领域，CMOS作为一种低成本的感光元件技术被发展出来，市面上常见的数码产品，其感光元件主要就是CCD或者CMOS，尤其是低端摄像头产品，而通常高端摄像头都是CCD感光元件。

CMOS制造工艺被应用于制作数码影像器材的感光元件，是将纯粹逻辑运算的功能转变成接收外界光线后转化为电能，再造过芯片上的模一数转换器(ADC)将获得的影像讯号转变为数字信号输出。CMOS与CCD主要有以下不同：
(1)成像过程中产生的噪声高
(2)集成性高
(3)读出速度快，地址选通开关可随机采样，获得更高的速度
(4)噪声：由于CMOS图像传感器集成度高，各元件、电路之间距离很近，干扰比较严重，噪声对图像质量影响很大。随着CMOS电路消噪技术的不断发展，为生产高密度优质的CMOS图像传感器提供了良好的条件。

CMOS影像传感器的优点之一是电源消耗量比CCD低，CCD为提供优异的影像品质，付出代价即是较高的电源消耗量，为使电荷传输顺畅，噪声降低，需由高压差改善传输效果。但CMOS影像传感器将每一画素的电荷转换成电压，读取前便将其放大，利用3.3V的电源即可驱动，电源消耗量比CCD低。CMOS影像传感器的另一优点，是与周边电路的整合性高，可将ADC与讯号处理器整合在一起，使体积大幅缩小。

CMOS传感器的一个主要优势是，特别是在板级版本，它们非常适合用于嵌入式视觉系统。它们的速度、大小、重量、可替换性和其他因素也有助于创建强大的移动多摄像头设置。

CMOS的缺点：就是太容易出现杂点, 这主要是因为早期的设计使CMOS在处理快速变化的影像时，由于电流变化过于频繁而会产生过热的现象。本质原因是，CCD操作的对象是光子，可以使用微透镜将光子引导到没有被金属部件覆盖的区域，并弥补一些损失，但这对电子是不可能的。在相同分辨率下，CMOS价格比CCD便宜，但是CMOS器件产生的图像质量相比CCD来说要低一些。

2.3 sCMOS
sCMOS其实是scentific CMOS的缩写，是基于下一代CMOS图像传感器(CIS)设计和制造技术的突破性技术。sCMOS技术提供了一种独特的能力，可以同时提供与其他传感器类型相矛盾的性能参数。

3.CMOS的前照式、背照式和堆叠式
CMOS的制造方式主要包括传统（前照式）CMOS、背照式（Back-illuminated）CMOS、堆叠式（Stacked）CMOS。

其具体差异可以参考下面这篇文章：
CMOS的前照式、背照式和堆叠式

4.CCD与CMOS的功能参数对比
一般来说，传感器有很多分辨率、传感器和像素大小、噪声水平、帧率和许多其他规格。
不同的应用需要或强调可能相互排斥的特定参数，例如，低噪声很难与高速结合。

参数对比：

参数                                                 CCD         CMOS       sCMOS
速度（Speed）                                  慢              快             快/慢
灵敏度（Sensitivity）                         中             低-中           高
噪声（Noise）                                   中            中到高           低
系统复杂度（System Complexity）   高             低                 高
传感器复杂度（Sensor Complexity）低             中                 高
频率和光波长变换器(FWC)                中             低                 高
像素信号（Pixel Signal）                  电子         电压             电压
芯片输出（Chip Output）                 电压          数据             数据                

审核编辑 黄宇