2024年9月17日发(作者：干春岚)
CCD和COMS
一、 名词解释
CCD—英文全称：Charge-coupled Device，中文全称：电荷耦合原件，也可以成为CCD图像
传感器。一种半导体器件，能够把光学影像转化为数字信号。
COMS—英文全称：Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体。
电压控制的一种放大器件，是组成COMS数字集成电路的基本单元。
二、概况介绍
CCD结构
CCD结构包含感光二极管、并行信号寄存器、信号放大器、数模转换器
ⅰ.感光二极管（photodiode）
ⅱ.并行信号寄存器（shift register）：用于暂时储存感光后产生的电荷。
ⅲ.信号放大器：用于放大微弱电信号。
ⅳ.数模转换器：将放大的电信号转换成数字信号。
CCD的工作原理由微型镜头、分色滤色片、感光层等三层
1. 微型镜头
微型镜头为CCD的第一层，我们知道，数码相机成像的关键是在于其感光层，为了扩展
CCD的采光率，必须扩展单一像素的受光面积。但是提高采光率的办法也容易使画质下降。
这一层“微型镜头”就等于在感光层前面加上一副眼镜。因此感光面积不再因为传感器的开
口面积而决定，而改由微型镜片的表面积来决定。
2. 分色滤色片
分色滤色片为CCD的第二层，目前有两种分色方式，一是RGB原色分色法，另一个则是
CMYK补色分色法这两种方法各有优缺点。首先，我们先了解一下两种分色法的概念，RGB
即三原色分色法，几乎所有人类眼镜可以识别的颜色，都可以通过红、绿和蓝来组成，而
RGB三个字母分别就是Red, Green和Blue，这说明RGB分色法是通过这三个通道的颜色调
节而成。再说CMYK，这是由四个通道的颜色配合而成，他们分别是青（C）、洋红(M)、黄(Y)、
黑(K)。在印刷业中，CMYK更为适用，但其调节出来的颜色不及RGB的多。
原色CCD的优势在于画质锐利，色彩真实，但缺点则是噪声问题。因此，大家可以注意，
一般采用原色CCD的数码相机，在ISO感光度上多半不会超过400。相对的，补色CCD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的分辨率，而在ISO
值上，补色CCD可以容忍较高的感光度，一般都可设定在800以上
3. 感光层
感光层为CCD的第三层，这层主要是负责将穿过滤色层的光源转换成电子信号，并将信
号传送到影像处理芯片，将影像还原。
加工工艺
CCD和COMS传感器在网络高清上的表现主要由他们不同的处理技术决定，CCD采用全局
曝光技术，低照度下效果优势明显，但工艺复杂，成品率低，价格居高不下；COMS采用逐
行曝光技术，工艺简单，可大批量生产，具有较强的价格优势，但低照度下的效果有待改善，
不过高端的COMS传感器在低照度下的效果甚至好过CCD。毋庸置疑，COMS传感器是IP高清
的主流技术趋势。
CCD的加工工艺有两种，一种是TTL工艺，一种是CMOS工艺，现在市场上所说的CCD和
CMOS其实都是CCD，只不过是加工工艺不同，前者是毫安级的耗电量，二后者是微安级的耗
电量。TTL工艺下的CCD成像质量要优于CMOS工艺下的CCD。CCD广泛用于工业，民用产品。
COMS：
在计算机领域，CMOS常指保存计算机基本启动信息(如日期、时间、启动设置等)的芯
片。有时人们会把CMOS和BIOS混称，其实CMOS是主板上的一块可读写的RAM芯片，是用
来保存BIOS的硬件配置和用户对某些参数的设定。CMOS可由主板的电池供电，即使系统掉
电，信息也不会丢失。CMOS RAM本身只是一块存储器，只有数据保存功能。而对BIOS中各
项参数的设定要通过专门的程序。BIOS设置程序一般都被厂商整合在芯片中，在开机时通
过特定的按键就可进入BIOS设置程序，方便地对系统进行设置。因此BIOS设置有时也被叫
做CMOS设置。
CMOS制造工艺也被应用于制作数码影像器材的感光元件（常见的有TTL和CMOS），尤其
是片幅规格较大的单反数码相机。虽然在用途上与过去CMOS电路主要作为固件或计算工具
的用途非常不同，但基本上它仍然是采取CMOS的工艺，只是将纯粹逻辑运算的功能转变成
接收外界光线后转化为电能，再透过芯片上的模-数转换器（ADC）将获得的影像讯号转变为
数字信号输出。
CMOS与CCD的区别
CCD与CMOS传感器是被普遍采用的两种图像传感器，两者都是利用感光二极管
(photodiode)进行光电转换，将图像转换为数字数据，而其主要差异是数字数据传送的方式
不同。
CCD传感器中每一行中每一个象素的电荷数据都会依次传送到下一个象素中，由最底端
部分输出，再经由传感器边缘的放大器进行放大输出；而在CMOS传感器中，每个象素都会
邻接一个放大器及A/D转换电路，用类似内存电路的方式将数据输出。
造成这种差异的原因在于：CCD的特殊工艺可保证数据在传送时不会失真，因此各个象
素的数据可汇聚至边缘再进行放大处理；而CMOS工艺的数据在传送距离较长时会产生噪声，
因此，必须先放大，再整合各个象素的数据。
由于数据传送方式不同，因此CCD与CMOS传感器在效能与应用上也有诸多差异，这些差
异包括：
1. 灵敏度差异：
由于CMOS传感器的每个象素由四个晶体管与一个感光二极管构成(含放大器与A/D转换
电路)，使得每个象素的感光区域远小于象素本身的表面积，因此在象素尺寸相同的情况下，
CMOS传感器的灵敏度要低于CCD传感器。
2. 成本差异：
由于CMOS传感器采用一般半导体电路最常用的CMOS工艺，可以轻易地将周边电路(如
AGC、CDS、Timing generator、或DSP等)集成到传感器芯片中，因此可以节省外围芯片的
成本；除此之外，由于CCD采用电荷传递的方式传送数据，只要其中有一个象素不能运行，
就会导致一整排的数据不能传送，因此控制CCD传感器的成品率比CMOS传感器困难许多，
即使有经验的厂商也很难在产品问世的半年内突破50%的水平，因此，CCD传感器的成本会
高于CMOS传感器。
3. 分辨率差异：
CMOS传感器的每个象素都比CCD传感器复杂，其象素尺寸很难达到CCD传感器的水平，
因此，当比较相同尺寸的CCD与CMOS传感器时，CCD传感器的分辨率通常会优于CMOS传感
器的水平。例如，市面上CMOS传感器最高可达到210万象素的水平(OmniVision的 OV2610，
2002年6月推出)，其尺寸为1/2英寸，象素尺寸为4.25μm，但Sony在2002年12月推出
了ICX452，其尺寸与 OV2610相差不多(1/1.8英寸)，但分辨率却能高达513万象素，象素
尺寸也只有2.78mm的水平。
4. 噪声差异：
由于CMOS传感器的每个感光二极管都需搭配一个放大器，而放大器属于模拟电路，很难
让每个放大器所得到的结果保持一致，因此与只有一个放大器放在芯片边缘的CCD传感器相
比，CMOS传感器的噪声就会增加很多，影响图像品质.
5. 功耗差异：
CMOS传感器的图像采集方式为主动式，感光二极管所产生的电荷会直接由晶体管放大输
出，但CCD传感器为被动式采集，需外加电压让每个象素中的电荷移动，而此外加电压通常
需要达到12~18V；因此，CCD传感器除了在电源管理电路设计上的难度更高之外(需外加
power IC)，高驱动电压更使其功耗远高于CMOS传感器的水平。举例来说，OmniVision推
出的OV7640(1/4英寸、VGA)，在 30 fps的速度下运行，功耗仅为40mW；而致力于低功耗
CCD传感器的Sanyo公司推出的1/7英寸、CIF等级的产品，其功耗却仍保持在90mW 以上。
因此CCD发热量比CMOS大，不能长时间在阳光下工作。
※ 综上所述，CCD传感器在灵敏度、分辨率、噪声控制等方面都优于CMOS传感器，而CMOS
传感器则具有低成本、低功耗、以及高整合度的特点。不过，随着CCD与CMOS传感器技术
的进步，两者的差异有逐渐缩小的态势，时至今日，CMOS感应器的应用范围已经非常广泛，
包括数码相机、电脑摄 像头、可视电话、第三代手机、智能型安全系统、汽车倒车雷达、
玩具，以及工业、医疗等多种用途。由于使用范围广泛，这也非常有利 于CMOS产品的普及。
发展前景
CMOS影像感应器目前主要用以数码相机、摄像头等产品，在130万像素以下 的CMOS
品质已相当接近CCD感应器，而且体积比CCD更小。尤其是电脑摄像头在动态影像的撷
取方面，对影像品质要求不比静态 的数码相机高，48万像素的画质就可以被用户所接受，
目前生产企业采用CMOS的比例已开始大大增加。
但随着百万像素网络摄像机的出现，其主要采用高分辨率的逐行扫描方式，逐行扫描的
CMOS传感器比隔行扫描CCD芯片更有优势，其依次扫描每条电视线，而不是将电视线分
成奇数和偶数线条后再叠加成一副完整图像。采用隔行扫描，快速运动的物体在奇数场扫描
和偶数场扫描中的位置存在较大差异，导致画面模糊不清，对于交通等领域而言，需要的是
清晰、无锯齿的运动车辆图像，CMOS在像素密度上的优势使其处于领先地位。目前，130
万网络摄像机沿袭模拟的优势，较多采用CCD，而200万像素以上的网络摄像机则更多倾
向于CMOS。
虽然CMOS影像感应器真正的快速发展只有2、3年时间，虽然在品质上仍难与 CCD
媲美，但是相信在不久的将来CMOS终会取代CCD成为主流，而这只不过是时间的问题。
CMOS要想成为市场主流必须克服 的最大的问题就是成像品质。就目前的效果而言，较高
像素的CMOS感应器已经面临到感光度、信噪比不足等多项问题 ，影像品质无法与同级
CCD感应器相比。以目前的条件来看，CMOS感应器要普遍应用在340万像素以上的数码
相机市场，时机尚未成熟。但是，影像感应器市场应用范围很广，涵盖消费、商业 、工业
等多种领域，根据市场供求量的计算，在未来三年的发展中，CMOS感应器每年的累计增
长率都将超过25%。
专家们认为，21世纪初全球CMOS图像传感器市场将在PC摄像机、移动通信市场、数
码相机、摄像机市场市场等领域获得大幅度增长，在未来的几年时间内，在130 万像素至
200万像素之下的产品中，将开始以CMOS传感器为主流。以小型化和低功耗CMOS图像传感
器为核心的摄像机正在成为消费类产品的主流，上述领域将为图像传感器市场带来巨大发展。
2024年9月17日发(作者：干春岚)
CCD和COMS
一、 名词解释
CCD—英文全称：Charge-coupled Device，中文全称：电荷耦合原件，也可以成为CCD图像
传感器。一种半导体器件，能够把光学影像转化为数字信号。
COMS—英文全称：Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体。
电压控制的一种放大器件，是组成COMS数字集成电路的基本单元。
二、概况介绍
CCD结构
CCD结构包含感光二极管、并行信号寄存器、信号放大器、数模转换器
ⅰ.感光二极管（photodiode）
ⅱ.并行信号寄存器（shift register）：用于暂时储存感光后产生的电荷。
ⅲ.信号放大器：用于放大微弱电信号。
ⅳ.数模转换器：将放大的电信号转换成数字信号。
CCD的工作原理由微型镜头、分色滤色片、感光层等三层
1. 微型镜头
微型镜头为CCD的第一层，我们知道，数码相机成像的关键是在于其感光层，为了扩展
CCD的采光率，必须扩展单一像素的受光面积。但是提高采光率的办法也容易使画质下降。
这一层“微型镜头”就等于在感光层前面加上一副眼镜。因此感光面积不再因为传感器的开
口面积而决定，而改由微型镜片的表面积来决定。
2. 分色滤色片
分色滤色片为CCD的第二层，目前有两种分色方式，一是RGB原色分色法，另一个则是
CMYK补色分色法这两种方法各有优缺点。首先，我们先了解一下两种分色法的概念，RGB
即三原色分色法，几乎所有人类眼镜可以识别的颜色，都可以通过红、绿和蓝来组成，而
RGB三个字母分别就是Red, Green和Blue，这说明RGB分色法是通过这三个通道的颜色调
节而成。再说CMYK，这是由四个通道的颜色配合而成，他们分别是青（C）、洋红(M)、黄(Y)、
黑(K)。在印刷业中，CMYK更为适用，但其调节出来的颜色不及RGB的多。
原色CCD的优势在于画质锐利，色彩真实，但缺点则是噪声问题。因此，大家可以注意，
一般采用原色CCD的数码相机，在ISO感光度上多半不会超过400。相对的，补色CCD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的分辨率，而在ISO
值上，补色CCD可以容忍较高的感光度，一般都可设定在800以上
3. 感光层
感光层为CCD的第三层，这层主要是负责将穿过滤色层的光源转换成电子信号，并将信
号传送到影像处理芯片，将影像还原。
加工工艺
CCD和COMS传感器在网络高清上的表现主要由他们不同的处理技术决定，CCD采用全局
曝光技术，低照度下效果优势明显，但工艺复杂，成品率低，价格居高不下；COMS采用逐
行曝光技术，工艺简单，可大批量生产，具有较强的价格优势，但低照度下的效果有待改善，
不过高端的COMS传感器在低照度下的效果甚至好过CCD。毋庸置疑，COMS传感器是IP高清
的主流技术趋势。
CCD的加工工艺有两种，一种是TTL工艺，一种是CMOS工艺，现在市场上所说的CCD和
CMOS其实都是CCD，只不过是加工工艺不同，前者是毫安级的耗电量，二后者是微安级的耗
电量。TTL工艺下的CCD成像质量要优于CMOS工艺下的CCD。CCD广泛用于工业，民用产品。
COMS：
在计算机领域，CMOS常指保存计算机基本启动信息(如日期、时间、启动设置等)的芯
片。有时人们会把CMOS和BIOS混称，其实CMOS是主板上的一块可读写的RAM芯片，是用
来保存BIOS的硬件配置和用户对某些参数的设定。CMOS可由主板的电池供电，即使系统掉
电，信息也不会丢失。CMOS RAM本身只是一块存储器，只有数据保存功能。而对BIOS中各
项参数的设定要通过专门的程序。BIOS设置程序一般都被厂商整合在芯片中，在开机时通
过特定的按键就可进入BIOS设置程序，方便地对系统进行设置。因此BIOS设置有时也被叫
做CMOS设置。
CMOS制造工艺也被应用于制作数码影像器材的感光元件（常见的有TTL和CMOS），尤其
是片幅规格较大的单反数码相机。虽然在用途上与过去CMOS电路主要作为固件或计算工具
的用途非常不同，但基本上它仍然是采取CMOS的工艺，只是将纯粹逻辑运算的功能转变成
接收外界光线后转化为电能，再透过芯片上的模-数转换器（ADC）将获得的影像讯号转变为
数字信号输出。
CMOS与CCD的区别
CCD与CMOS传感器是被普遍采用的两种图像传感器，两者都是利用感光二极管
(photodiode)进行光电转换，将图像转换为数字数据，而其主要差异是数字数据传送的方式
不同。
CCD传感器中每一行中每一个象素的电荷数据都会依次传送到下一个象素中，由最底端
部分输出，再经由传感器边缘的放大器进行放大输出；而在CMOS传感器中，每个象素都会
邻接一个放大器及A/D转换电路，用类似内存电路的方式将数据输出。
造成这种差异的原因在于：CCD的特殊工艺可保证数据在传送时不会失真，因此各个象
素的数据可汇聚至边缘再进行放大处理；而CMOS工艺的数据在传送距离较长时会产生噪声，
因此，必须先放大，再整合各个象素的数据。
由于数据传送方式不同，因此CCD与CMOS传感器在效能与应用上也有诸多差异，这些差
异包括：
1. 灵敏度差异：
由于CMOS传感器的每个象素由四个晶体管与一个感光二极管构成(含放大器与A/D转换
电路)，使得每个象素的感光区域远小于象素本身的表面积，因此在象素尺寸相同的情况下，
CMOS传感器的灵敏度要低于CCD传感器。
2. 成本差异：
由于CMOS传感器采用一般半导体电路最常用的CMOS工艺，可以轻易地将周边电路(如
AGC、CDS、Timing generator、或DSP等)集成到传感器芯片中，因此可以节省外围芯片的
成本；除此之外，由于CCD采用电荷传递的方式传送数据，只要其中有一个象素不能运行，
就会导致一整排的数据不能传送，因此控制CCD传感器的成品率比CMOS传感器困难许多，
即使有经验的厂商也很难在产品问世的半年内突破50%的水平，因此，CCD传感器的成本会
高于CMOS传感器。
3. 分辨率差异：
CMOS传感器的每个象素都比CCD传感器复杂，其象素尺寸很难达到CCD传感器的水平，
因此，当比较相同尺寸的CCD与CMOS传感器时，CCD传感器的分辨率通常会优于CMOS传感
器的水平。例如，市面上CMOS传感器最高可达到210万象素的水平(OmniVision的 OV2610，
2002年6月推出)，其尺寸为1/2英寸，象素尺寸为4.25μm，但Sony在2002年12月推出
了ICX452，其尺寸与 OV2610相差不多(1/1.8英寸)，但分辨率却能高达513万象素，象素
尺寸也只有2.78mm的水平。
4. 噪声差异：
由于CMOS传感器的每个感光二极管都需搭配一个放大器，而放大器属于模拟电路，很难
让每个放大器所得到的结果保持一致，因此与只有一个放大器放在芯片边缘的CCD传感器相
比，CMOS传感器的噪声就会增加很多，影响图像品质.
5. 功耗差异：
CMOS传感器的图像采集方式为主动式，感光二极管所产生的电荷会直接由晶体管放大输
出，但CCD传感器为被动式采集，需外加电压让每个象素中的电荷移动，而此外加电压通常
需要达到12~18V；因此，CCD传感器除了在电源管理电路设计上的难度更高之外(需外加
power IC)，高驱动电压更使其功耗远高于CMOS传感器的水平。举例来说，OmniVision推
出的OV7640(1/4英寸、VGA)，在 30 fps的速度下运行，功耗仅为40mW；而致力于低功耗
CCD传感器的Sanyo公司推出的1/7英寸、CIF等级的产品，其功耗却仍保持在90mW 以上。
因此CCD发热量比CMOS大，不能长时间在阳光下工作。
※ 综上所述，CCD传感器在灵敏度、分辨率、噪声控制等方面都优于CMOS传感器，而CMOS
传感器则具有低成本、低功耗、以及高整合度的特点。不过，随着CCD与CMOS传感器技术
的进步，两者的差异有逐渐缩小的态势，时至今日，CMOS感应器的应用范围已经非常广泛，
包括数码相机、电脑摄 像头、可视电话、第三代手机、智能型安全系统、汽车倒车雷达、
玩具，以及工业、医疗等多种用途。由于使用范围广泛，这也非常有利 于CMOS产品的普及。
发展前景
CMOS影像感应器目前主要用以数码相机、摄像头等产品，在130万像素以下 的CMOS
品质已相当接近CCD感应器，而且体积比CCD更小。尤其是电脑摄像头在动态影像的撷
取方面，对影像品质要求不比静态 的数码相机高，48万像素的画质就可以被用户所接受，
目前生产企业采用CMOS的比例已开始大大增加。
但随着百万像素网络摄像机的出现，其主要采用高分辨率的逐行扫描方式，逐行扫描的
CMOS传感器比隔行扫描CCD芯片更有优势，其依次扫描每条电视线，而不是将电视线分
成奇数和偶数线条后再叠加成一副完整图像。采用隔行扫描，快速运动的物体在奇数场扫描
和偶数场扫描中的位置存在较大差异，导致画面模糊不清，对于交通等领域而言，需要的是
清晰、无锯齿的运动车辆图像，CMOS在像素密度上的优势使其处于领先地位。目前，130
万网络摄像机沿袭模拟的优势，较多采用CCD，而200万像素以上的网络摄像机则更多倾
向于CMOS。
虽然CMOS影像感应器真正的快速发展只有2、3年时间，虽然在品质上仍难与 CCD
媲美，但是相信在不久的将来CMOS终会取代CCD成为主流，而这只不过是时间的问题。
CMOS要想成为市场主流必须克服 的最大的问题就是成像品质。就目前的效果而言，较高
像素的CMOS感应器已经面临到感光度、信噪比不足等多项问题 ，影像品质无法与同级
CCD感应器相比。以目前的条件来看，CMOS感应器要普遍应用在340万像素以上的数码
相机市场，时机尚未成熟。但是，影像感应器市场应用范围很广，涵盖消费、商业 、工业
等多种领域，根据市场供求量的计算，在未来三年的发展中，CMOS感应器每年的累计增
长率都将超过25%。
专家们认为，21世纪初全球CMOS图像传感器市场将在PC摄像机、移动通信市场、数
码相机、摄像机市场市场等领域获得大幅度增长，在未来的几年时间内，在130 万像素至
200万像素之下的产品中，将开始以CMOS传感器为主流。以小型化和低功耗CMOS图像传感
器为核心的摄像机正在成为消费类产品的主流，上述领域将为图像传感器市场带来巨大发展。