100514-CCD Sensor与CMOS Sensor基本原理

感光元件 (Cont.)
CMOS 对抗 CCD的优势在于成本低，耗电需求少, 便于制造, 可以与影像处理电路同处于一个芯片 上。 但由于容易有杂讯的缺点，CMOS 只能在经济型 的数位相机市场中生存
FF CMOS
Fill factor CMOS 属于CMOS感测器中最先进的 制程技术。最大的差别在于提高 Fill Factor（单 一画素中可吸收光的面积对整个画素的比例）， 有效做到提高敏感度、放大CMOS面积（全片 幅）和降低杂讯的影响。 Fill Factor CMOS 与 CCD 感光器比较发现， CCD 受限于良率和结构制程，面积越小，画素越 高，相对成本也就越低；Fill Factor CMOS 刚好 相反，由于感光开口加大，FF CMOS 可以挑战更 高画素，更大面积（全片幅），甚至就产出比例 来说，FF CMOS 单一晶圆的附加价值更大。
Fill Factor CMOS开创新未来
尽管 CCD 在影像品质等各方面均优于CMOS，但 CMOS具有低成本、低耗电以及高整合度的特 性。 CMOS的低成本和稳定供货，成为厂商的最爱， 也因此其制造技术不断地改良更新，使得 CCD 与 CMOS 两者的差异逐渐缩小 。 新一代的CCD朝向耗电量减少作为改进目标，以 期进入照相手机的行动通讯市场；CMOS系列， 则开始朝向大尺寸面积与高速影像处理芯片统 合，藉由后续的 影像处理修正杂讯以及画质表现
感光元件 (Cont.)
CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor)
CMOS的制造技术和CCD 不同，反而比较接近一般电 脑芯片。CMOS 的材质主要是利用硅和锗这两种元素 所做成的半导体 在CMOS上共存着带N（带 电） 和 P（带 + 电）级 的半导体，这两个互补效应所产生的电流即可被处理 芯片纪录和解读成影像 CMOS因为在画素的旁边就放置了讯号放大器，导致 其缺点容易出现杂点 ，特别是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，更 使得杂讯难以抑制。
CCD三明治结构 - 感光层
这层主要是负责将穿透滤色层的光源转换成电子 讯号，并将讯号传送到影像处理芯片，将影像还 原。
CCD三明治结构 - 感光层
主要的 CCD 设计大致上分成几个区块。
被称为画素 Pixel （Photodiodes）感光二极管，主要 是应用于光线感应部份 Gate 区有一部份被用作电子快门 蓝色区块则是布局为电荷通路，用来传导电荷之用 白色区块就是 Charge Drain，也有称为 Shielded Shift Registers ，中文或可翻为电荷存贮区，主要功用 为收集经二极管照射光线后所产生之电荷。
Fill Factor CMOS开创新未来
CMOS 完整 3D透视 与 平面结构，位于最上层的 为 MicroLens 微型聚光镜片
Fill Factor CMOS开创新未来
Fill Factor CMOS 由于感光开口加大，不需要 MicroLens辅助聚光，改以平面玻璃覆盖保护，此 一不同之处，使得 FF CMOS 的影像表现不会受制 于微型镜片的干扰，而能够呈现更佳的影像效果
CCD Sensor与CMOS Sensor基本原理
感光元件
CCD (Charge Coupled Device)
材质为硅晶半导体 基本原理类似 CASIO 计算器上的太阳能电池，通过光 电效应，由感光元件表面感应来源光线，从而转换成 存贮电荷的能力 光线越强、电荷也就越多，这些电荷就成为判断光线 强弱大小的依据 CCD 元件上安排有通道线路，将这些电荷传输至放大 解码原件，就能还原 所有CCD上感光元件产生的讯号
耗电量差异：
CMOS的影像电荷驱动方式为主动式，感光二极管所产生 的电荷会 直接由旁边的电晶体做放大输出；但CCD却为被 动式， 必须外加电压让每个画素中的电荷移动至传输通 道。而这外加电压通常需要12伏特（V）以上的水平，因 此 CCD 还必须要有更精密的电源线路设计和耐压强度， 高驱动电压使 CCD 的电量远高于CMOS。
CCD & CMOS 比较
ISO 感光度差异
由于 CMOS 每个画素包含了放大器与A/D转换电路，过 多的额外设备压缩单一画素的感光区域的表面积，因此 在 相同画素下，同样大小之感光器尺寸，CMOS的感光 度会低于CCD。
成本差异
CMOS 应用半导体工业常用的 MOS制程，可以一次整 合全部周边设施于单芯片中，节省加工芯片所需负担的 成本 和良率的损失；相对地 CCD 采用电荷传递的方式输 出信息，必须另辟传输通道，如果通道中有一个画素故 障（Fail）， 就会导致一整排的 讯号壅塞，无法传递， 因此CCD的良率比CMOS低，加上另辟传输通道和外加 ADC 等周边，CCD的制造成本相对高于CMOS。
CCD & CMOS 比较
解析度差异
在第一点『感光度差异』中，由于 CMOS 每个画素的 结构比 CCD 复杂，其感光开口不及CCD大， 相对比 较相同尺寸的CCD与CMOS感光器时，CCD感光器的 解析度通常会优于CMOS。不过，如果跳脱尺寸限 制，目前业界的CMOS 感光原件已经可达到1400万 画 素 / 全片幅的设计，CMOS 技术在量率上的优势可以 克服大尺寸感光原件制造上的困难，特别是全片幅 24mm-by-36mm 这样的大小。
CCD工作方式
分解CCD 结构可以发现，为了帮助 CCD 能够组 合呈彩色影像，网格被发展成具有规则排列的色 彩矩阵 当数位相机的快门开启，来自影像的光线穿过这 些马赛克色块会让感光点的二氧化硅材料释放出 电子〈负电〉与电洞〈正电〉。 经由外部加入电压， 这些电子和电洞会被转移到 不同极性的另一个硅层暂存起来。电子数的多寡 和曝光过程光点所接收的光量成正比。
CCD&CMOS 放大器位置与数量
CCD&CMOS 放大器位置与数量
CCD 每曝光一次， 自快门关闭或是内部时脉自动 断线（电子快门）后，即进行画素转移处理，将 每一行中每一个 画素（pixel）的电荷信号依序传 入『缓冲器（电荷存贮器）』中，由底端的线路 引导，导致输出至 CCD 旁的放大器进行放大，再 串联 ADC（模拟数位资料转换器） CMOS 的设计中每个画素旁就直接连着 『放大 器』，光电讯号可直接放大再经由 BUS 通路移动 至 ADC 中转换成数位资料
设计 灵敏度
成本 解析度
杂讯比
CCD & CMOS 比较
CCD 单一感光器 同样面积下较(高)
线路品质影响良率 (高) 结构复杂度低 (高)
单一放大器主控 (低)
CMOS 感光器连结放大器 感光开口小(低) （Fill Factor 因感光开 口大，较高） 整合制程 (低)
传统技术较低 新技术摆脱面积限制， 可达全片幅 多元放大器，误差大 (高)
CCD与影像处理核心整合示意图
上图是 CCD 本体与 QV、放大器、模拟数位转换 器和记忆缓冲区做构成之完整元件
CCD三明治结构
第一层: 微型镜头 第二层: 分色滤色片 第三层: 感光汇流层
CCD三明治结构 - 微型镜头
是1980年初，由SONY领先发展出来的技术。 这 是为了有效提高CCD 的总画素，又要确保单一画 素持续缩小以维持CCD的标准体积 为扩展单一画素的受光面积，若利用提高开口率来 增加受光面积，反而使画质变差。所以，开口率只 能提高到一定的 极限，否则CCD将成为劣品。 为改善这个问题 SONY率先在每一感光二极管上 （单一画素）装置微小镜片。这个设计，感光面积 不再因为感测器的开口面积而决定，而改由微型镜 片的表面积来决定。如此，可同时兼顾单一画素的 大小，又可提高了开口率，使感光度大幅提高。
CCD三明治结构 - 分色滤色片
这个部份的作用主要是帮助 CCD 具备色彩辨识的 能力。 通过分色滤片，CCD 可以分开感应不同光线的 『成分』，从而在最后影响处理器还原回原始色 彩。 目前CCD有两种分色方式：一是 RGB 原色分色 法，另一个则是 CMYG补色分色法，目前超过 80 ％都是原色 CCD 的天下。
CCD三明治结构 - 分色滤色片
CCD三明治结构 - 分色滤色片
原色CCD的优势在于，画质锐利，色彩真实，但 缺点则是杂讯问题。新一代的影像处理引擎已经 可以准确的消除杂讯问题，ISO值的限制已经不 再是 问题了。 补色CCD由多了一个 Y 黄色滤色器，在色彩的分 辨上比较仔细，但却牺牲了部分影像解析度，而 在ISO值上，补色CCD可以容忍较高的感度 补色 CCD 逐渐被市场淘汰的另一个原因在于转换 色彩的复杂性， CMYG CCD 所拍出来的数位影 像比较贴近传统底片，适合于出版输出使用， 但，CMYG 需要转换成 RGB 使其能在一般的显 示系统中预览图标，无形中也增加了失真的机会
CCD & CMOS 比较
杂讯差异
由于CMOS每个感光二极管旁都搭配一个 ADC 放大器， 如果以百万画素计，那么就需要百万个以上的 ADC 放大 器，虽然是统一制造下的产品，但是每个放大器或多或少 都有些微的差异存在，很难达到放大同步的效果，对比单 一个放大器的CCD，CMOS最他差异
IPA（Indiviual Pixel Addressing）常被使用在数位 变焦放大之中，CMOS 必须仰赖 x,y 画面定位放大处 理，否则由于个别画素放大器之误差，容易产生画面 不平整的问题。制造机具上，CCD 必须特别订制的机 台才能制造，也因此生产高画素的 CCD 元件产生不出 日本和美国，CMOS 的生产一般存贮器/处理器机台即 可担负。
CCD工作方式
阶段一，CCD 接受光线的 照射产生电荷
外加电压将CCD 所『产生』 的电荷移往缓冲区
CCD工作方式
阶段三，电荷转换成电压，电 压经 ADC 判读数位讯号
阶段四，依顺序将讯号移往缓冲 区组合
CCD工作方式
以IL 型 CCD 为例，曝光之后所有产生的电荷都会 被转移到邻近的移位寄存器中，并且逐次逐行的 转换成信号流从矩阵中读取出来。 这些强弱不一的电荷讯号，会先被送入一个 QV （Electron to voltage converte）之中，将电荷 转换成电压 下一步再将电压送入放大器中进一步放大 然后才是 A/D 模拟数位讯号转换器（ADC Analog to Digital Converter）。每个画素都有 一个色调值，可以显示强弱大小，最终再整合影 像输出。