cmos图像传感器 ccd 数码相机的“底”——CCD和CMOS的6个区别

发布时间：2024-10-07 06:10:55

数码相机的“底”——CCD和CMOS的6个区别

相信许多摄友都曾经迷惑于数码相机的“底”是什么？感光元件和成像器件有区别吗？一会儿看到CCD，一会儿又看到CMOS，到底是不是一个东西？总是一头雾水。而新摄友来说更是如此。今天，我们就来简单几句话讲清楚。

我们常说的“底”，或者成像器件，或者感光元件都是同一个概念——传感器。对于数码相机来说，传感器就是其核心，是相机感受光线并把光线转化为电子信号的部件。数码相机就是将外部影像用这些电子信号来表示和存储。自从进入数码时代，传感器技术发展出2个类型——CCD传感器和CMOS传感器。二者之间有什么联系和区别呢？

第一，出现时间区别

CCD早于CMOS出现。CCD传感器最早出现在1990s时期，而CMOS传感器则是2000年前后才出现，并在之后逐步在民用消费级产品领域取代CCD成为主流。

世界上第一台数码相机，CCD，8万像素

第二，画质差别

CCD的画质优于CMOS。这源于二者工艺的不同。简单来说，CCD每行像素共用一个“放大器”来进行信号处理，而CMOS则是每个像素单独配备一个放大器，因此同面积下CCD的感光区域要远大于CMOS（毕竟CMOS上要留出更多空间给那些复杂电路）。因此，CCD的画质的会确比CMOS好。在不太需要高感的高端商业拍摄领域，顶级中画幅相机（飞思、哈苏、徕卡等）至今仍使用着CCD，以保证得到最高的画质，满足商业广告大片的需要。

CCD和CMOS工艺差别

第三，高感画质差别

CCD的传感器普遍发热量大，尤其是高感光度下更是发热严重，这就导致CCD传感器的热噪点很高，画质下降。而CMOS的功耗则低得多，发热量也就低得多，因此在高感画质上CMOS的画质反而有优势。

第四，处理速度差别

处理速度也是CCD的一个先天弱点，毕竟一个放大器要处理一整行的像素，运算量大得多，速度就慢得多。每个像素就配有一个放大器的CMOS处理速度则快得多了，因此在体育摄影，拥有高速摄影性能的CMOS占据了压倒性优势。

体育摄影决定了厂商的使用取向

第五，品控差别

CCD上只要一个像素出问题，一整行像素就都报销了，导致出来的照片基本上也都不能用了。而CMOS上一个像素坏了，可以用算法屏蔽，基本不影响照片质量。

第六，成本差别

CCD良品率很低，因此成本就很高。尤其是全画幅的CCD，那只能是存在于实验室或博物馆的天工之作，难以量产普及。而CMOS的技术成熟后，其成本大大低于CCD，让数码相机乃至全画幅数码相机真正地走进了普通老百姓的生活。

综上，CCD是早期传感技术的产物，其工艺复杂成本高昂，在数码相机还只能作为专业器材的年代确实是传感器的主要方案。而近20年来，CMOS技术进步成熟，其成本不断降低使数码相机售价真正进入了民用消费级的区间，因此很快就取代了CCD成为了绝对主流。在消费级数码相机这个层面上，2010年后几乎就再没有CCD传感器了。CCD传感器只保留在了专业级的中画幅高端器材中。这就是CCD和CMOS的联系与区别。

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CCD？CMOS？背照式？堆栈式？图像传感器结构小科普

前一阵佳能推出了搭载佳能首款自主研发的背照堆栈式CMOS图像传感器的速度旗舰EOS R3，但有不少朋友表示堆栈式CMOS不是早就有了么。我相信很多人对于相机的图像传感器相关知识是一知半解的，今天就来和大家一起科普一下有关于图像传感器结构的一些知识。

CCD还是CMOS？

在数码单反刚开始发展的早期，曾经有过一次“路线之争”，就是选择CCD图像传感器还是CMOS图像传感器。首先，无论是哪种图像传感器，原理都是将外界射入的光信号转换为电信号，电信号由ADC数模转换器将模拟信号转换为数字信号，再由ISP图像处理器对接收到的数字信号进行处理，最终输出为一幅图像。

CCD的全称是ChargeCoupled Device，电荷耦合器件图像传感器，于1969年由美国贝尔实验室发明。CMOS的全称是Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，互补式金属氧化物半导体图像传感器，是一种集成电路的设计工艺，用户非常广泛。相对而言，CCD在初期具备分辨率高，灵敏度好，全域快门的特点，而CMOS则具备集成度高，功耗低，成本低的特点。与CCD产品相比，CMOS是标准工艺制程，可利用现有的半导体设备，不需额外的投资设备，且品质可随著半导体技术的提升而进步。随着工艺水平的提高，CMOS图像传感器迅速解决了分辨率和灵敏度的劣势，并且在大尺寸元件上的价格优势和视频录制方面的优势更加的明显，直接导致了CMOS的全面胜出。

目前CCD图像传感器大多出现在一些对特殊领域性能要求特别高，同时对成本很无所谓的领域中还有应用。比如天文摄影会用到冷冻CCD，医疗X光影像以及一些需要长时间曝光的科学应用上。而那些在社交平台上吹嘘的十几年前的二手CCD照相机，一般都已经属于“工业废品”级别，同样的价格可以购买同年代的全画幅单反相机了，强烈不值得入手。

在单反数码化的初期，各家都有尝试过使用CCD来作为图像传感器，但在2002年，佳能和柯达就先后发布了使用CMOS图像传感器的全画幅单反相机，此后佳能也再也没有使用CCD作为单反的图像传感器，专心致志的走CMOS路线。

当然也不是所有厂商都选择了CCD或者CMOS，适马就选择了FOVEON X3的传感器。2002年适马推出了世界上第一台搭载FOVEON X3传感器的数码单反相机SD 9，直到今天也只有适马还有FOVEON X3传感器的相机有售。

虽然在2003年索尼还没有涉足相机市场，但2003年宾得发布的自家第一款数码单反相机*ist D就是使用的索尼生产的631万像素CCD。2017年，索尼正式停止研发CCD图像传感器，同时索尼的最后一款CCD单反相机也要追溯到2010年的索尼a390。

背照式？堆栈式？都是什么？

如果说CCD与CMOS之争是线路之争，那么背照式CMOS和堆栈式CMOS就是CMOS图像传感器的进化之路。

上面我们提到了CMOS具备集成度高的特点，所以电影摄影机领域就有不少顶级厂商选择将ADC数模转换器集成到CMOS中，以提高峰值输出性能并得到了不错的成绩。索尼在2007年推出了Exmor CMOS，在小尺寸传感器上实现了集成ADC这一特性，2008年索尼推出了著名的IMX028，就是索尼a900、尼康D3X上用的那款。从这时候起，索尼CMOS的性能逐步与外置ADC的佳能CMOS拉开了明显的差距。

2008年，索尼继续高歌猛进，推出了BSI背照式CMOS，索尼将之称为Exmor R。在前照式CMOS时代中，Bayer阵列滤镜与光电二极管间存在大量金属连线，阻隔了大量进入传感器表面的光线。在背照式CMOS结构下，金属连线转移到光电二极管的背面，光线不再被阻挡，信噪比大幅度提高，而且可以采用更复杂、更大规模电路来提升传感器读取速度。第一个吃到背照式CMOS红利的并不是相机类产品，而是苹果的IPHONE 4S，随后1英寸卡片机领域开始大规模使用，就连能够自产CMOS传感器的佳能和松下都采用索尼的背照式CMOS。

在背照式CMOS之后到来的工艺升级是铜互连工艺，与之前的铝互连工艺比，电阻降低了40%，芯片运行速度提升了15%，尺寸还更小，同时为芯片增加互连层数提供了可能性。也就是说没有铜互连工艺，就不会有后来的堆栈式CMOS。2012年尼康推出的D600上就采用了IMX128传感器，相对于尼康D3X在速度上有了质的提升，这就是铜互连工艺带来的进步。索尼则是从Alpha 7R II上开始宣传这一工艺的升级。

2012年，索尼发布了堆栈式CMOS结构，并命名为Exmor RS。这一结构在背照式CMOS的基础上具备了更多的ADC，并内置了DRAM存储芯片，也就是说CMOS的读取和处理速度更快了。2015年索尼推出了搭载堆栈式CMOS的卡片机RX100 IV，具备24张/秒的超高速连拍性能，之后索尼在RX100 VII上又进一步升级了堆栈式CMOS，具备无黑屏的20张/秒连拍。

用人话讲这几个新工艺分别是，内置ADC提高宽容度，背照式CMOS提高进光量，铜互连工艺和堆栈式CMOS提高读取速度。

那么传感器还有什么升级点呢？

虽然在相机/手机CMOS领域索尼相对于佳能/三星/OV还有不少领先，但和几个高端品牌比如阿莱的供应商ON Semiconductor相比，索尼、佳能等等品牌还有不少功课要补，其中我认为最重要的就是佳能已经成功研发了的双增益成像影像传感器技术。

这项技术需要CMOS中集成双ADC，一个ADC通道读取14bit高增益信号，一个ADC通道读取14bit低增益信号，最后通过处理器进行HDR合成出16bit的高宽容度画面。阿莱在很早之前就实现了这一功能，而佳能则在摄像机C70上搭载了这样的CMOS，目前相机/手机领域还没有这样的产品出现，不过我相信随着时间的推移，慢慢就会有厂商去尝试这一功能点的。

以上就是本期的内容了，看完之后大家是否对传感器有了一定的了解了？

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数码相机的“底”——CCD和CMOS的6个区别

CCD？CMOS？背照式？堆栈式？图像传感器结构小科普

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