图像传感器中的CMOS和CCD

图像传感器是将光学影像转换成电子信号的设备，广泛应用在数码相机等电子光学设备中。主要分为CMOS(互补式金属氧化物半导体有源像素传感器)和CCD(感光耦合器件)这两种图像传感器。

CMOS是互补式金属氧化物半导体的缩写，英语全称为Complementary Metal Oxide Semiconductor，是一种集成电路设计工艺，CMOS图像传感器(简称CIS，全称为CMOS Image Sensor)，是采用CMOS技术制作的图像传感器，通常由像敏单元阵列、行驱动器、列驱动器、时序控制逻辑、AD转换器、数据总线输出接口、控制接口等几部分组成，这几部分通常都被集成在同一块硅片上。它还可集成其他数字信号处理电路，如自动曝光量控制、白平衡处理、伽玛校正、黑电平控制、非均匀补偿等；将具有可编程功能的DSP器件与CMOS器件集成在一起，就组成了图像处理系统。

CMOS图像传感器的工作流程主要分为以下三步：
第一步：外界光照射像素阵列，发生光电效应，在像素单元内产生相应的电荷。
景物通过成像透镜聚焦到图像传感器阵列上，而图像传感器阵列是一个二维的像素阵列，每一个像素上都包括一个光敏二极管，每个像素中的光敏二极管将其阵列表面的光强转换为电信号。

第二步：通过行选择电路和列选择电路选取希望操作的像素，并将像素上的电信号读取出来。
在选通过程中，行选择逻辑单元可以对像素阵列逐行扫描也可隔行扫描，列同理。行选择逻辑单元与列选择逻辑单元配合使用可以实现图像的窗口提取功能。

第三步：把相应的像素单元进行信号处理。
行像素单元内的图像信号通过各自所在列的信号总线，传输到对应的模拟信号处理单元以及A/D转换器，转换成数字图像信号输出。其中，模拟信号处理单元的主要功能是对信号进行放大处理，并且提高信噪比。像素电信号放大后送相关双采样CDS电路处理，相关双采样是高质量器件用来消除一些干扰的重要方法。其基本原理是由图像传感器引出两路输出，一路为实时信号，另外一路为参考信号，通过两路信号的差分去掉相同或相关的干扰信号。这种方法可以减少KTC噪声、复位噪声和固定模式噪声FPN(FixedPatternNoise)，同时也可以降低1／f噪声，提高了信噪比。此外，它还可以完成信号积分、放大、采样、保持等功能。然后信号输出到模拟／数字转换器上变换成数字信号输出。

CCD是感光耦合器件的缩写，英语全称是harge coupled device，是另一种集成电路设计工艺；于1969年在美国贝尔试验室的科学家威拉德·博伊尔(WillardS. Boyle)和乔治•史密斯(George Smith)设计并创造，于1971年他们采用简单线性设备捕捉到图像，由此诞生CCD并于20世纪末飞速发展。

CCD图像传感器体系有全幅FF(Full-Frame)、帧传输FT(Frame-Transfer)、行间传输IT(Interline-Transfer)三种架构。CCD又可分为线型 (Linear) 与面型 (Area) 两种，其中线型应用于影像扫瞄器及传真机上，而面型主要应用于数码相机、摄录影机、监视摄影机等影像产品上。

CCD传感器由许多个类似电容的感光元件排成一行或多行，并与信号处理电路连接在一起。当光线照射到感光元件时，产生的电荷量与光线强度成正比，接着被送入输出端信号线路，经过AD转换被转化为数字信号。由于CCD慢慢成为过去式，ANEAK在这里不再过多阐述。

首先由于CIS制作工艺与计算机芯片和存储设备等半导体集成电路相同，工艺简单；而CCD制作工艺复杂，仅有少数厂家能够生产CCD晶元；同性能下CCD成本较高。其次是集成，CCD仅能输出模拟电信号，需要增加后续的地址译码器、模拟转换器、图像信号处理器，并且需要提供三组不同电压的电源同步时钟控制电路，因此集成度极低；而CIS采用集成电路的设计工艺，能够将所有模块集成在一块芯片上，集成度很高。最后，CIS与CCD相比具有较高的读出速率和更低的功耗，更适用于手机、数码相机等小形便携式设备。

进入21世纪后，由于CMOS工艺制程技术的飞速发展，CIS的性能逐渐达到并超越CCD； CIS低成本、小体积、高速率和低功耗的特点，成为图像传感器消费市场的主流。