hello年夜家好，我是健康百科网网小航来为年夜家解答以上题目，相机cmos和ccd的区分（一路聊聊两种相机芯片良多人还不知道，此刻让我们一路来看看吧！
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提到CCD或CMOS，即便是摄影快乐喜爱者（进阶者除外）也可能会不知所云。但若是说「相机芯片」「影象传感器」「全画幅芯片」之类的，年夜家便会刹时感觉熟习良多。在不严谨会商的环境下，我们年夜概可以以为CCD、CMOS和影象传感器就是一回事，但事实上它们其实不等价，不克不及混为一谈。
并不是影象君故弄玄虚，而是由于CCD和CMOS别离代表了两种主流的、分歧设计、分歧道理的影象传感器手艺——这即是本文想要切磋的话题。我们不但要会商「是甚么」（What），并且还要测验考试会商「若何」（How）和「为何」（Why）。
「芯片」的话题很年夜，我们无妨先从半导体的概念起头说起。
「半导体」是一个相对导体和绝缘体而提出的概念，是以，我们有需要先领会一下作甚导体和绝缘体。
1.1 导体、绝缘体
从「导电性」的角度而言，我们年夜致可将物体分为「导体」和「绝缘体」：前者导电，后者不导电。
是甚么素质缘由致使了二者在导电机能上的差别呢？这便不能不提「原子布局」的题目。
1913年，丹麦理论物理学家玻尔（Niels Bohr）在先辈卢瑟福（Ernest Rutherford）的研究根本上提出了「卢瑟福-玻尔原子模子」，如图1-1所示：
图1-1
理论以为，原子由带正电的原子核和带负电的电子构成，原子核又可细分为带正电的质子和不带电的中子，电子则处于原子核外的离散轨道上。电子距原子核越远（电子轨道越高），其遭到的束缚力越小。
该模子还从「能级」（energy level）的角度描写了电子的活动特征。电子所处的轨道越高，其能级也越高，反之亦然。最外层的轨道能级最高，凡是用「价带」（valence band）来描写。当接收能量时，电子受激起，从低能级（低轨道）向高能级（高轨道）迁跃（如图1-2所示）。
图1-2
若接收的能量足够多，电子便能冲破原子核的束厄局促，从价带跃迁至导电带（conduction band），成为可以自由游动的电子。自由电子越多，则物体导电机能越强。
1.2 半导体
半导体是一种介于导体和绝缘体之间的材料，在天然状况下，其导电机能接近于绝缘体，但只要有少许电子接收了能量，便能跃迁至导电带，成为导体。
常见的半导体材料是在硅（Si）材猜中搀杂其它元素，如磷（P）或硼（B）。三者在元素周期表中的位置相邻，它们有附近的原子布局——最外层的电子数别离为4、5、3。是以，当在硅材猜中搀杂磷元素时，因为两两共价而到达不变的电子层布局，每一个磷原子会多出一个自由电子，这类供给自由电子（也称为「供体」）的半导体称为「N型半导体」（N为negative的缩写），如图1-3所示[1]：
图1-3
同理，当在硅材猜中搀杂硼时，因为共价的关系，每一个硼原子会多出一个呈正极的电子空位，称为电子穴（hole），这类有吸引电子（也称为「受体」）能力的材料称为「P型半导体」（P为positive的缩写），如图1-4所示：
图1-4
1.3 PN结
P型半导体和N型半导体整合在一路时，便构成了一个PN结，中心鸿沟四周、束厄局促较弱的电子会自由移动并填充P型硅的电子穴，逐步到达一种动态均衡，在中心构成了一个耗尽区（depletion area），如图1-5所示：
图1-5
当给南北极施加反向偏压（即P侧加负电压，N侧加正电压）时，耗尽区增添，导电机能降落；当施加正向偏压（即P侧加正电压，N侧加负电压）时，耗尽区削减，导电机能上升。这类经由过程节制偏压到达单领导电的方针的元件，即为二极管。
1969年，美国贝尔尝试室的两位科学家 Willard Boyle和George E. Smith发现了数字影象传感芯片——CCD。CCD的英文全称为Charge-Coupled Device，直译为「电荷耦合装备」。
2.1 CCD布局
按照CCD的布局，我们年夜致可将其分为上下两年夜部门：
光学滤镜和集成电路。
CCD芯片的概况是一系列光学滤镜组件，首要由抗红外线的微型透镜和拜耳彩色滤镜两部门构成，如图2-1所示：
图2-1
拜耳阵列（Bayer array）彩色滤镜是彩色成像的主要组件，它利用了RGB（红绿蓝）色采模子。因为人眼对绿色的敏感度是红色和蓝色的两倍，是以绿色滤镜的数目是红色和蓝色的两倍。
滤镜下一层即是传感器集成电路。上面是数以万万计的像素（即感光单位），每个像素均由4个（2个绿色滤镜、1个红色滤镜和1个蓝色滤镜）光电二极管组成。像素呈分层布局，从上至下顺次为：多晶硅电极、二氧化硅、N型半导体和P型半导体。其横截面示意图如图2-2所示：
图2-2，Photo via MicroscopyU
2.2 CCD运行道理
继续看上面的图2-2。我们可以看到，PN结处有一个耗尽区，当施加反向电压（上为正极，下为负极）时，电子接收了入射光的能量而跃迁成了自由电子，存储于正电极下方所构成的电势井（potential well）中。若把电势井类比为杯子，光生电子（光电效应所发生的电子）则近似于杯子里的水。入射光越强，光生电子也越多，杯里的水便越多。
电压的开启与封闭由一系列的时序门电路节制，电势井会跟着电压的改变而向临近高电压处迁徙，从而到达了电荷转移的目标。其动态示意图如图2-3所示：
图2-3
2.3 CCD的三种架构
CCD设计凡是有三种架构：
帧转移（FT）、全帧（FF）和行间转移（IL）。
三种架构代表了三种分歧的电荷转移体例，其示意图如图2-4所示（箭头即为电荷转移标的目的）：
图2-4
下面我们简单来领会一下这3种架构的CCD。
2.3.1 帧转移架构
帧转移架构（frame transfer）的CCD分为两部门：影象区和存储区。前者由光电二极管构成，负责将光电旌旗灯号转换成摹拟电旌旗灯号；后者则有遮光涂层，不感光，首要用于存储并读取电荷数据。其布局示意图如图2-5所示：
图2-5，Photo via Hamamatsu.magnet.fsu.edu
平行时钟节制偏压电路，将电荷从影象区转移至存储区，系列移位寄放器以「行」为单元读取电荷数据后传输至芯片外部的旌旗灯号放年夜器。最后一行的电荷数据从芯片转移出去以后，起头反复下一行数据的转移[1]。
此类CCD的长处是较高的帧转移效力，无需机械快门。错误谬误是较低的影象解析度（较小的感光区，可容纳的像素较少）和较高的本钱（两倍的硅基面积）。
2.3.2 全帧架构
与帧转移架构最年夜的分歧是，全帧架构（full frame）的全数区域均为感光区，不设自力存储区。平行移位寄放器位于感光区下一层，也是以行动单元读取电荷，余者与帧转移近似。如图2-6所示：
图2-6，Photo via Hamamatsu.magnet.fsu.edu
正如前文所述，为了便于年夜家理解，可将电势井类比为杯子，电子类比为水，则，其电荷转移道理示意图可用图2-7来暗示：
图2-7
此类CCD的长处是：具有更高的芯片利用率，建造本钱相对低廉。若寄放器在读取光电二极管的数据时，后者依然处于暴光状况，则终究的影象将会呈现拖尾效应（如图2-8所示）。是以，此类CCD需共同机械快门一路利用，后者起到了遮光和节制暴光的感化。
图2-8
2.3.3 行间转移架构
行间转移架构（interline transfer）在外不雅设计上与全帧CCD近似，分歧的地方在于，每一个像素旁边即有一个不感光的寄放器，每两个像素成对耦合在一路，电荷以「每两个像素为单元」转移至寄放器，这即是「电荷耦合」名称的由来。如图2-9所示：
图2-9，Photo via Hamamatsu.magnet.fsu.edu
此类型CCD最年夜的长处是，无需搭配机械快门，较高的帧转移效力，是以，影象拖尾效应也相对削减。错误谬误是，更复杂的设计架构和更高的建造本钱。
3.1 CMOS布局
1992年，美国航空航天局（NASA）喷气推动尝试室科学家Eric Fossum博士颁发了长篇论文，会商了有源像素传感器手艺的利用，后来便有了CMOS传感器的呈现。
CMOS，英文全称为Complementary Metal-Oxide Semiconductor，译为「互补金属氧化物半导体」。CMOS影象传感器首要由以下四部门组成：
（1）微透镜：位于传感器最顶层，首要感化是将入射光线聚焦于光电二极管，进步光线的操纵率。
（2）彩色滤镜：与CCD近似，也是拜耳滤镜，包括红、绿、蓝三种色彩，用于过滤分歧波长的光线。
（3）金属毗连层（电路）：金属（铝或铜）毗连线和氧化物庇护膜。
（4）硅基：内置首要元件为光电二极管，将光旌旗灯号转换成电旌旗灯号。
其横截面示意图如图3-1所示：
图3-1，Photo by IBM。
3.2 CMOS运行道理
与CCD最年夜的分歧是，CMOS的每一个像素都内置有一个自力的旌旗灯号放年夜器，是以，CMOS传感器也被称为有源像素传感器（APS，Active Pixel Sensor）。光线进入CMOS后与光电二极管产生光电效应，偏压门电路节制后者的光敏性，从上至下逐行扫描式暴光，每一个像素内发生的电旌旗灯号均被当即放年夜（相干常识，可浏览影象派之前的文章《摄影常识科普 | 你最熟习的「快门」，却藏有这些你最目生的认知》）。传感器的每列都有模数转换器（ADC）， 以「列」为单元读取电荷数据并转移至并行处置总线，然后输送至旌旗灯号放年夜器，最后传至图象处置器。
示意图如图3-2所示：
图3-2
3.3 前照式 vs 背照式
按照布局的分歧，CMOS影象传感器可分为「前照式」和「背照式」两种。
传统CMOS的光电二极管位于传感器的最底部、金属线下方，入射光从光电二极管的前面（与电路相连的一侧）进入，此类CMOS传感器是以被称为「前照式传感器」（FSI, Front-side Illuminated Sensor）。如图3-3所示：
图3-3
前照式传感器有一个最年夜的错误谬误：
光线在照耀到光电二极管时要先颠末电路，电路中的金属线会反射一部门入射光，这不但直接下降了光线的操纵率，并且光线的散射也增添了系统的噪声，下降了传感器的宽容度。
为了晋升传感器在弱光情况下的感光表示，削减系统噪声，后来在前照式设计的根本长进行了改良与进级，将光电二级管置于电路上方，入射光颠末滤镜后直接从二极管的后背（背对电路的一侧）进入。是以，此类CMOS被称为「背照式传感器」（BSI, Back-side Illuminated Sensor）。如图3-4所示：
图3-4
背照式传感器的长处在于：
年夜年夜缩短了光线抵达光电二极管的路径，削减了光线的散射，使光线更聚焦，从而晋升了在弱光情况中的感光能力，削减了系统噪声和串扰。背照式设计是CMOS手艺的重年夜改良，对传统CMOS具有更年夜的竞争上风。
最后，我们来简单对照一下两类影象传感器的好坏。
4.1 CCD的好坏
CCD传感器的首要长处是高画质（噪点较少）和高光敏性（感光区域面积更年夜），但同时也有高能耗、易发烧、建造本钱高和低处置效力等错误谬误。CCD首要利用于对画质和宽容度要求较高的范畴，如航天、医学等。
4.2 CMOS的好坏
因为每像素都有自力放年夜器，并且每列都有摹拟/数字旌旗灯号转换器，CMOS传感器比CCD有更高的数据处置效力高。因为所需电压比CCD低，能耗也年夜幅削减，无发烧题目。低廉的出产本钱使得CMOS有手艺利用普及、高度贸易化的上风。CMOS的这些长处，都是CCD所不具有的。
但是，CMOS并不是完善。年夜量增添了旌旗灯号放年夜器当然晋升了数据处置效力，但同时也无可避免地举高了系统的底噪，使得终究影象的噪点题目更加凸起，画质方面的表示不及CCD。另外，CMOS的像素区域（感光区）尺寸不如全帧架构CCD，致使前者的弱光表示能力亦不及后者。
固然CMOS凭仗其小尺寸、低本钱、低能耗等上风，一向主宰着消费级数码相机和手机摄影范畴，但其实不意味着CCD已被市场裁减，二者不是谁代替谁的题目，而是二者各有所长，各有各的江湖。
综不雅全文，我们从原子布局的角度切入，引出了半导体，继而深切切磋了CCD和CMOS，别离向年夜家扼要先容了各自的物理布局和运行道理。文章虽长，但照旧不免疏漏，没法做到四平八稳，只因传感器的真实世界远比我们想象中要复杂和浩大。限于篇幅与小我能力，【影象派】也只能略陈一二，权当抛砖引玉。不足的地方，还望读者赐正。
[1]Mortimer Abramowitz，Michael W. Davidson，
Concepts in Digital Imaging Technology，hamamatsu.magnet.fsu.edu
[2]Elizabeth Allen,Sophie Triantaphillidou,The Manual_of_Photography (10th ed.) Oxford Focal Press；
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