CCD传感器与CMOS传感器两者有什么不一样？

CMOS针对CCD最主要的优势就是非常省电，不像由二极管组成的CCD，CMOS 电路几乎没有静态电量消耗，只有在电路接通时才有电量的消耗。

好的，CCD（电荷耦合器件）传感器和CMOS（互补金属氧化物半导体）传感器是现代数字成像领域（相机、手机摄像头等）最常见的两种图像传感器技术。它们虽然最终都是为了将光信号转换为电信号（图像），但在工作原理、结构特性和性能表现上有显著的不同：

核心工作原理：电荷传输方式不同
- CCD： 每个感光单元（像素点）在曝光时积累电荷（光生电子），但在读出时需要将这些电荷依次、一步一步地“传递”给相邻像素，就像一个水桶接力队传递水一样。最终所有电荷汇聚到芯片边缘的一个或少数几个输出放大器转换成电压信号，形成图像。
- CMOS： 每个像素点都拥有自己独立的“电荷转电压”放大器（以及一些必要的晶体管电路）。每个像素的电荷可以直接在本地转换为电压信号，然后独立读出并传输，就像每个工人都有一个小车可以直接将货物运走。
核心工作原理带来的关键差异：
- 读取速度：
  - CCD：电荷必须顺序传递，尤其在高分辨率下，读出速度相对较慢。
  - CMOS：像素信号可以同时或快速并行读出，因此具有更高的读取速度（帧率），更适合高速连拍、高帧率视频录制。
- 功耗：
  - CCD：需要更高的工作电压来驱动电荷高效传递，整个传递过程功耗较大。外部的模数转换电路也消耗额外能量。整体功耗高。
  - CMOS：工作电压低。大部分电路在不需要时可以休眠。由于信号在像素内就转换放大并数字化，后续处理相对简单。整体功耗显著低于CCD。
- 噪声：
  - CCD：因为所有像素共享一个（或少数）高质量放大器，所以放大器噪声非常低，一致性也好。但其电荷传递过程中的电荷转移损失、时钟噪声是主要噪声源。在理想条件下，CCD能提供非常低的读出噪声（尤其是在长时间曝光、低温下）。
  - CMOS：每个像素的放大器制造工艺难以做到完全一致，会导致固定模式噪声。但CMOS在读出速度和功耗上的优势使其能在电路设计和后期处理（片上数字信号处理）方面进行大量优化，可以有效降低噪声（如相关双采样）。现代高端CMOS（如背照式和堆栈式）在噪声控制上已接近甚至超越CCD。
- 动态范围：
  - 传统CCD通常具有不错的动态范围。
  - 现代CMOS得益于低读出噪声和高速ADC技术，高端型号可以实现极宽的动态范围，大大超越传统CCD。
- 集成度与成本：
  - CCD：主要是感光单元加电荷传输结构，逻辑控制、模数转换、图像处理等电路需要单独芯片实现（通常和CCD传感器芯片封装在一起）。制造工艺相对特殊且不兼容标准逻辑工艺。生产良率较低，成本较高。
  - CMOS：像素、放大器、模数转换、控制逻辑、图像处理电路都可以集成在同一块芯片上（单芯片系统）。制造工艺与主流的半导体（CPU, 内存）工艺兼容， 可以利用成熟的量产线大规模生产，成本更低， 也便于实现复杂功能。
- 灵敏度与“填充系数”：
  - CCD：感光区域上方只需要布设相对简单的传输电极，遮光部分少，感光有效面积比例（填充系数）高。在早期，同等像素尺寸下，CCD通常比早期CMOS灵敏度更高（即捕获光的能力更强）。
  - CMOS (传统前照式)：每个像素内部需要放置晶体管和互连线，会占用感光区域上方的空间（遮光），导致填充系数较低，从而影响灵敏度（部分光线被阻挡，无法到达感光层）。
  - CMOS (现代背照式)： 革命性地改变了结构，将布线层和电路放在感光硅的背面，感光层（光电二极管）移到最上层接收光线。这几乎解决了填充系数问题，显著提升了灵敏度（尤其在弱光下），成为目前主流的先进技术。
- 滚动快门 vs 全局快门：
  - CCD：绝大多数是全局快门（Global Shutter）。所有像素在同一时间点开始曝光、同一时间点结束曝光并清除电荷。非常适合拍摄快速移动物体，不会产生畸变。
  - CMOS：早期和大部分消费级产品使用滚动快门（Rolling Shutter）。像素逐行进行曝光、读取和重置。在拍摄高速运动物体或快速移动相机时，会产生图像变形（果冻效应）。但也有部分专业/工业级CMOS实现了全局快门（需牺牲一些填充系数或增加噪声）。

总结对比表：

特性	CCD 传感器	CMOS 传感器
工作原理	电荷按顺序传递，集中放大读出	像素自带放大，独立并行读出
读取速度	较慢	快
功耗	高	低
噪点(传统)	低（放大器噪声低）	早期较高（放大器不一致，FPN）
噪点(现代高端)	低	非常低（接近或超越CCD）
动态范围(高端)	良好	非常高
集成度/成本	低集成（多芯片），高成本	高集成（单芯片），低成本
灵敏度(早期)	高（填充系数高）	较低（前照式，填充系数低）
灵敏度(现代)	高	非常高（背照式、堆栈式）
快门方式	主要是全局快门	主要是滚动快门（高端可全局）
主流应用	科学成像（天文、低温）、高端扫描仪、部分工业相机（需全局快门）	手机摄像头、消费相机（卡片机、单反/无反）、专业视频机、安防监控、自动驾驶、绝大部分应用

结论：

过去CCD在画质（特别是低噪声和高一致性）上有优势，但其高成本、高功耗、低速度难以满足大众市场尤其是便携设备的需求。随着CMOS工艺的飞速发展（背照式、堆栈式、低噪声设计、片上数字处理、全局快门实现等），现代高性能CMOS传感器在几乎所有关键指标（速度、功耗、灵敏度、噪声、动态范围、成本）上都实现了全面超越或接近CCD，并且功能集成度更高。

因此，当今世界，CMOS传感器是绝对的、无处不在的主流技术，广泛应用于手机、消费级相机、专业相机、安防监控、汽车成像等各种领域。CCD的应用领域已经大幅萎缩，主要局限于一些特殊要求（如需要超长曝光、极高线性度、特定全局快门性能）的科学仪器（如天文望远镜）、工业检测、高端扫描仪等特定场合。