CMOS與CCD的區(qū)別

　　CCD與CMOS傳感器是被普遍采用的兩種圖像傳感器，兩者都是利用感光二極管（photodiode）進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，將圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，而其主要差異是數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳送的方式不同。

　　CCD傳感器中每一行中每一個(gè)象素的電荷數(shù)據(jù)都會(huì)依次傳送到下一個(gè)象素中，由最底端部分輸出，再經(jīng)由傳感器邊緣的放大器進(jìn)行放大輸出；而在CMOS傳感器中，每個(gè)象素都會(huì)鄰接一個(gè)放大器及A/D轉(zhuǎn)換電路，用類似內(nèi)存電路的方式將數(shù)據(jù)輸出。

　　造成這種差異的原因在于：CCD的特殊工藝可保證數(shù)據(jù)在傳送時(shí)不會(huì)失真，因此各個(gè)象素的數(shù)據(jù)可匯聚至邊緣再進(jìn)行放大處理；而CMOS工藝的數(shù)據(jù)在傳送距離較長(zhǎng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生噪聲，因此，必須先放大，再整合各個(gè)象素的數(shù)據(jù)。

　　由于數(shù)據(jù)傳送方式不同，因此CCD與CMOS傳感器在效能與應(yīng)用上也有諸多差異，這些差異包括：

　　1. 靈敏度差異：

　　由于CMOS傳感器的每個(gè)象素由四個(gè)晶體管與一個(gè)感光二極管構(gòu)成（含放大器與A/D轉(zhuǎn)換電路），使得每個(gè)象素的感光區(qū)域遠(yuǎn)小于象素本身的表面積，因此在象素尺寸相同的情況下，CMOS傳感器的靈敏度要低于CCD傳感器。

　　2. 成本差異：

　　由于CMOS傳感器采用一般半導(dǎo)體電路最常用的CMOS工藝，可以輕易地將周邊電路（如AGC、CDS、Timing generator、或DSP等）集成到傳感器芯片中，因此可以節(jié)省外圍芯片的成本；除此之外，由于CCD采用電荷傳遞的方式傳送數(shù)據(jù)，只要其中有一個(gè)象素不能運(yùn)行，就會(huì)導(dǎo)致一整排的數(shù)據(jù)不能傳送，因此控制CCD傳感器的成品率比CMOS傳感器困難許多，即使有經(jīng)驗(yàn)的廠商也很難在產(chǎn)品問世的半年內(nèi)突破50%的水平，因此，CCD傳感器的成本會(huì)高于CMOS傳感器。

　　3. 分辨率差異：

　　CMOS傳感器的每個(gè)象素都比CCD傳感器復(fù)雜，其象素尺寸很難達(dá)到CCD傳感器的水平，因此，當(dāng)比較相同尺寸的CCD與CMOS傳感器時(shí)，CCD傳感器的分辨率通常會(huì)優(yōu)于CMOS傳感器的水平。例如，市面上CMOS傳感器最高可達(dá)到210萬象素的水平（OmniVision的 OV2610，2002年6月推出），其尺寸為1/2英寸，象素尺寸為4.25μm，但Sony在2002年12月推出了ICX452，其尺寸與 OV2610相差不多（1/1.8英寸），但分辨率卻能高達(dá)513萬象素，象素尺寸也只有2.78mm的水平。［1］

　　4. 噪聲差異：

　　由于CMOS傳感器的每個(gè)感光二極管都需搭配一個(gè)放大器，而放大器屬于模擬電路，很難讓每個(gè)放大器所得到的結(jié)果保持一致，因此與只有一個(gè)放大器放在芯片邊緣的CCD傳感器相比，CMOS傳感器的噪聲就會(huì)增加很多，影響圖像品質(zhì)。［1］

　　5. 功耗差異：

　　CMOS傳感器的圖像采集方式為主動(dòng)式，感光二極管所產(chǎn)生的電荷會(huì)直接由晶體管放大輸出，但CCD傳感器為被動(dòng)式采集，需外加電壓讓每個(gè)象素中的電荷移動(dòng)，而此外加電壓通常需要達(dá)到12~18V；因此，CCD傳感器除了在電源管理電路設(shè)計(jì)上的難度更高之外（需外加 power IC），高驅(qū)動(dòng)電壓更使其功耗遠(yuǎn)高于CMOS傳感器的水平。舉例來說，OmniVision推出的OV7640（1/4英寸、VGA），在 30 fps的速度下運(yùn)行，功耗僅為40mW；而致力于低功耗CCD傳感器的Sanyo公司推出的1/7英寸、CIF等級(jí)的產(chǎn)品，其功耗卻仍保持在90mW 以上。因此CCD發(fā)熱量比CMOS大，不能長(zhǎng)時(shí)間在陽(yáng)光下工作。［1］

　　綜上所述，CCD傳感器在靈敏度、分辨率、噪聲控制等方面都優(yōu)于CMOS傳感器，而CMOS傳感器則具有低成本、低功耗、以及高整合度的特點(diǎn)。不過，隨著CCD與CMOS傳感器技術(shù)的進(jìn)步，兩者的差異有逐漸縮小的態(tài)勢(shì)，例如，CCD傳感器一直在功耗上作改進(jìn)，以應(yīng)用于移動(dòng)通信市場(chǎng)（這方面的代表業(yè)者為Sanyo）；CMOS傳感器則在改善分辨率與靈敏度方面的不足，以應(yīng)用于更高端的圖像產(chǎn)品。

　　主要CMOS廠商

　　投入CMOS研發(fā)、生產(chǎn)的廠商較多，美國(guó)有30多家，歐洲7家，日本約8家，韓國(guó)1家，***有8家。而居全球翹楚地位的廠商是Agilent（HP），其市場(chǎng)占有率51%、ST（VLSI Vision）占16%、Omni Vision占13%、現(xiàn)代占8%、Photobit約占5%，這五家合計(jì)市占率達(dá)93%。

　　Sony

　　Sony是全球CCD傳感器第一大廠，也是第一家投入12英寸晶圓、推出600萬象素CCD的公司，Sony約有30~40%的CCD傳感器供自有品牌產(chǎn)品使用，其它則賣給Canon、Sanyo、Casio、以及***的新虹、普利爾、詮訊（與***佳能合并）等廠商。

　　Sony的產(chǎn)品技術(shù)藍(lán)圖顯示，2003年除了800萬象素的ICX 456外，并無其它微縮工藝的產(chǎn)品問世。產(chǎn)品尺寸將大致保持現(xiàn)有水平，取而代之的是強(qiáng)化攝影功能與支持progressive scan（連續(xù)式掃描），例如500萬象素的ICX455/465、330萬象素的ICX451/481、以及210萬象素的ICX461等，令高端產(chǎn)品也能達(dá)到30fps以上的數(shù)據(jù)傳送速率。

　　高端產(chǎn)品的大部分市場(chǎng)仍被Sony占據(jù)，再加上市場(chǎng)仍處于供不應(yīng)求的局面，公司并未急于做降低成本的動(dòng)作，不過，一旦Sony最先進(jìn)的工藝（象素尺寸2.6~2.8mm）達(dá)到成熟階段（成品率超過50%），該公司勢(shì)必近一步將此工藝應(yīng)用到其它產(chǎn)品上（目前仍只有1/1.8英寸、 500萬象素產(chǎn)品使用此工藝），屆時(shí)可能會(huì)有1/2.7英寸、400萬象素產(chǎn)品問世。

　　OmniVision

　　OmniVision成立于1995年（以下簡(jiǎn)稱OV），2002年6月領(lǐng)先其它同業(yè)率先推出210萬象素的OV2610震驚市場(chǎng)，雖然目前采用此傳感器量產(chǎn)的產(chǎn)品并不多，但這已說明CMOS傳感器可以開始進(jìn)入原本屬于CCD傳感器的中高端數(shù)碼相機(jī)市場(chǎng)； OV的數(shù)據(jù)顯示，目前已有天瀚、明、鴻友等***商家開始采用該公司的OV2610。展望2003年，OV將在1季度~2季度之間推出330萬象素、1/2英寸的產(chǎn)品，采TSMC 0.18mm工藝生產(chǎn)，再次拓展CMOS傳感器的應(yīng)用范圍。在移動(dòng)電話市場(chǎng)上，CMOS模組的攝相模塊已經(jīng)成為移動(dòng)通訊應(yīng)用的最大量產(chǎn)品。

　　在低功耗產(chǎn)品方面，OV也在2002年12巒瞥雋薕V7640，可以在2.5V的環(huán)境下運(yùn)行，為目前VGA產(chǎn)品中功耗最低的芯片。而在2003 年新規(guī)劃的產(chǎn)品方面，OV計(jì)劃在下半年推出130萬象素、1/4英寸，以及VGA、1/7英寸的產(chǎn)品，希望在CCD廠家推出低功耗的130萬素產(chǎn)品之前，先行搶占市場(chǎng)先機(jī)。

　　Agilent

　　Agilent主要的產(chǎn)品為第二代的CIF（352*288）HDCS-1020和第二代的VGA（640*480）HDCS-2020，主要應(yīng)用在數(shù)碼相機(jī) 、行動(dòng)電話、PDA、PC Camera等新興的資訊家電產(chǎn)品之中，此外Agilent在2000年另一成功策略是和Logitech與Microsoft這兩家公司策略聯(lián)盟，打入了光學(xué)鼠標(biāo)產(chǎn)品領(lǐng)域，但是這是非常低階的CMOS產(chǎn)品，而且不是為了捕捉影像 ，所以在做影像感測(cè)器的全球統(tǒng)計(jì)時(shí)并未將此數(shù)量一并加入，但是此舉可看出Agilent以CMOS技術(shù)為基礎(chǔ)進(jìn)軍光學(xué)元件的規(guī)劃意圖。

　　Photobit

　　Photobit在2000年獲得較大成功。2001年P(guān)hotobit率先研發(fā)出PB-0330產(chǎn)品型號(hào)的CMOS圖像傳感器，此產(chǎn)品特色具備單一晶片邏輯轉(zhuǎn)數(shù)位的變頻器，它是第二代1/4寸的VGA（640 x 480），同時(shí)也推出PB-0111產(chǎn)品型號(hào)的CMOS影像感測(cè)器，是第二代1/5寸的CIF（352 x 288）。Photobit推出這兩種產(chǎn)品主要針對(duì)數(shù)碼相機(jī)和PC Camera這些近年來蓬勃發(fā)展的數(shù)位化產(chǎn)品，和OmniVision CIF（352 x 288）定位在行動(dòng)電話市場(chǎng)上有所區(qū)隔，其推出CIF（352 x 288）和VGA（640 x 480）這兩種不同解析程度的影像感測(cè)器，行銷范圍意圖含蓋低階和中高階市場(chǎng)。

　　其它公司

　　最具特色的是Sanyo，該公司致力于改善CCD 傳感器的功耗，以相機(jī)電話為主要應(yīng)用目標(biāo)，之前J-Phone率先推出的Sharp J-SHxx系列便是采用Sanyo的CIF級(jí)CCD傳感器，Sharp、Toshiba等手機(jī)廠家也計(jì)劃在02年4季度~03年1季度之間陸續(xù)引入 Sanyo的VGA產(chǎn)品。Matsushita、Sharp的產(chǎn)品規(guī)劃與Sony相差不多，主要差異在于Matsushita準(zhǔn)備推出更小的400萬象素 （1/2.7英寸）與130萬象素（1/4英寸）產(chǎn)品。

　　發(fā)展前景

　　專家們認(rèn)為，21世紀(jì)初全球CMOS圖像傳感器市場(chǎng)將在PC攝像機(jī)、移動(dòng)通信市場(chǎng)、數(shù)碼相機(jī)、攝像機(jī)市場(chǎng)市場(chǎng)等領(lǐng)域獲得大幅度增長(zhǎng)，在未來的幾年時(shí)間內(nèi)，在130 萬像素至200萬像素之下的產(chǎn)品中，將開始以CMOS傳感器為主流。以小型化和低功耗CMOS圖像傳感器為核心的攝像機(jī)正在成為消費(fèi)類產(chǎn)品的主流，上述領(lǐng)域?qū)閳D像傳感器市場(chǎng)帶來巨大發(fā)展［2］。

　　業(yè)界動(dòng)態(tài)

　　2009年8月28日，索尼秋季數(shù)碼影像新品發(fā)布會(huì)在北京隆重舉行，索尼宣布在三條產(chǎn)品線推出共十款數(shù)碼影像新品。其中 DSC-TX1和DSC-WX1首次應(yīng)用了新型影像傳感器Exmor R CMOS影像傳感器，它采用先進(jìn)的背照射技術(shù)，其對(duì)光線的靈敏度比傳統(tǒng)的CMOS影像傳感器提高了約2倍，大幅提升了拍攝畫質(zhì)，得到明亮畫面的同時(shí)更好地降噪，使得在低照度條件下仍然可以獲得細(xì)節(jié)豐富的照片，造就卓越的夜間拍攝性能。該傳感器具備1020萬有效像素，支持從ISO100~ISO3200的感光度范圍，并支持720p的高畫質(zhì)動(dòng)態(tài)影像視頻拍攝。性能強(qiáng)大的Exmor R MOS配合BIONZ影像處理器，可以快速準(zhǔn)確地處理海量信息，使DSC TX1和WX1具備了手持夜景模式、全景拍攝、動(dòng)作防抖和每秒最高約10張。

　　三星電子公司提高CMOS傳感器靈敏度的背面照射（BSI：backside illumination）技術(shù)達(dá)到了實(shí)用化水平，2010年將批量生產(chǎn)產(chǎn)品。三家大型CMOS傳感器公司均將在2010年開始量產(chǎn)采用背面照射技術(shù)的 CMOS傳感器（BSI型CMOS傳感器）。三星在工藝技術(shù)方面將采用適于降低成本的方法。之所以著手從事BSI技術(shù)，是因?yàn)橥ㄟ^提高靈敏度能夠維持相同的靈敏度同時(shí)縮小像素間距。據(jù)該公司估算，1.4μm間距的BSI型能夠獲得與基于現(xiàn)有技術(shù)的FSI（Front Side Illumination）型1.75μm間距產(chǎn)品相同的畫質(zhì)。同一像素間距，BSI型的靈敏度可以比FIS型高30%。三星為在今后量產(chǎn)1.1μm間距產(chǎn)品等間距更小的元件，將增加BSI型的比例。該公司計(jì)劃把2010年首批量產(chǎn)的BSI型CMOS傳感器做成支持1460萬像素和30幀/秒的元件。預(yù)計(jì)將配備于數(shù)碼相機(jī)、數(shù)碼攝像機(jī)及高端手機(jī)等設(shè)備上［3］。