2024年9月17日发(作者：潜梓暄)

CCD与CMOS传感器是当前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。

如下图所示，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。

左图为CCD传感器的结构，右图为CMOS传感器的结构

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：如上所述，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，当我们比较相同尺寸的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，目前市面上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近期推出的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公司去年推出了1/7英寸、CIF等级的产品，

其功耗却仍保持在90mW 以上，虽然该公司近期将推出35mW的新产品，但仍与CMOS

传感器存在差距，且仍处于样品阶段。

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，例如，CCD传感器一直在功耗上作改进，

以应用于移动通信市场(这方面的代表业者为Sanyo)；CMOS传感器则在改善分辨率与灵敏

度方面的不足，以应用于更高端的图像产品，我们可以从以下各主要厂商的产品规划来看出

一些端倪。

数码相机采用电子元器件成像而非胶卷——这是数码相机与传统相机最本质的区别所在。数

码相机的成像器件主要分为两类：

CCD——英文Charge Couple Device的缩写，中文名称―电荷耦合器件‖。

CMOS——英文Complementary Metal-Oxide Semiconductor的缩写，中文名称为―互补金

属氧化物半导体‖。

CCD技术成熟，成像质量好，毕竟它是现在应用的最广泛的成像元件，优点在于

1）CCD从一开始就是为图像而生。CCD从根本上说，就是采用为图像和电荷传输优化设计

的制造技术。这种技术，保证了CCD的性能不会因为减小像素尺寸，而发生降低。这种专

用技术的应用，当然也造成了CCD的一大劣势－－不能集成其他图像处理功能到这块传感

器上。

2）CCD传感器从根本上避免了由于像素窜扰产生的fixed-pattern noise (固定图样噪声，

FPN)，以及temporal noise（暂时噪声）。而这两种噪音在CMOS上是永远不能避免的。

但它也有其缺点：

1）耗电量大。早期的数码相机有―电老虎‖的―美誉‖，主要原因之一便来自CCD。虽然现在采

用低温多晶硅显示屏等低能耗的部件在一定程度上降低了相机的功率，但CCD依然是数码

相机的耗电大户——CCD从数码相机一开机便随时保持着工作状态，更是无谓地消耗大量的

电能。

2） 工艺复杂，成本较高。CCD复杂的结构决定了它制造工艺的复杂性，因而到目前为止，

CCD还只有为数不多的几家电子产业巨头能生产。

3）像素提升难度大。CCD前两个缺点也直接导致了这一个缺点，CCD像素提升无非是通过

两个途径：第一，保持感光元件单位面积不变而增大CCD面积，在大面积CCD上集成更多

的感光元件。但是这种方式会导致CCD成品率降低，制造成本更高，功耗更大，在民用领

域这是不现实的；第二，缩小感光元件单位面积，在现有水平的CCD面积上集成更多感光

元件。但是这种方法会减少感光元件的单位感光面积，降低CCD整体的灵敏度和动态范围，

影响画质。

CMOS在最近几年的发展速度相当不错，大有与CCD分庭抗争之势——就连目前最顶级的

DSLR（单镜头反光数码相机）柯达（Kodak）DCS 14n与佳能(Canon) EOS 1Ds均是采用

CMOS成像。

相比CCD，CMOS有几个最突出的优点：

1） 价格低廉，制造工艺简单。CMOS可以利用普通半导体生产线进行生产，不象CCD那

样要求特殊的生产工艺，所以制造成本低得多。而且CMOS尺寸与成品率都不如CCD有很

多限制。

2）耗电量低。虽然CMOS的滤镜布局与CCD差别不大，但在感光单元的电路结构上却有

很大差别。CMOS每个感光元件都具备独立的电荷/电压转换电路，可将光电转换后的电信

号独立放大输出——这比起CCD将所有的信号全部收集起来再放大输出，速度快了很多。

而且CMOS的感光元件只在感光成像时才会工作，所以比CCD更省电。但CMOS同样存

在缺点，如果在使用数码相机时成像动作较多，那么CMOS在频繁的启动过程中会因为多变

的电流而产生热量，导致杂波并影响画质。

3）便于集成。通过CMOS工艺可以方便地做出具有缓存、像素级图像处理、A/D、D/A集

成的SoC方案。CCD结构和原理上不允许这么做。

4）CMOS图像传感器结构上便于采用高速的并行读取体系。就像今年IEEE一个会议上，

SONY发布了连拍速度高达60FPS的CMOS传感器。从读取架构上看，CMOS具有决定性

的优势。由于CCD原理、结构的限制，它不能采用这种并行的读取架构，只能另辟蹊径。

手机的数码相机功能指的是手机是否可以通过内置或是外接的数码相机进行拍摄静态图片或

短片拍摄，作为手机的一项新的附加功能，手机的数码相机功能得到了迅速的发展。

手机摄像头分为内置与外置，内置摄像头是指摄像头在手机内部，更方便。外置手机通过数

据线或者手机下部接口与数码相机相连，来完成数码相机的一切拍摄功能。外置数码相机的

优点在于可以减轻手机的重量，而且外置数码相机重量轻，携带方便，使用方法简单。

处于发展阶段的手机的数码相机的性能应该也处于初级阶段，带有光学变焦的手机目前国内

销售的还没有这个功能，不过相信随着手机数码相机功能的发展，带有光学变焦的手机也会

逐渐上市，但大部分都拥有数码变焦功能。除此之外，目前手机的数码相机功能主要包括拍

摄静态图像，连拍功能，短片拍摄，镜头可旋转，自动白平衡，内置闪光灯等等。

手机的拍摄功能是与其屏幕材质、屏幕的分辨率、摄像头像素、摄像头材质有直接关系。

像素：数码相机的像素数包括有效像素（Effective Pixels）和最大像素（Maximum Pixels）。

与最大像素不同的是有效像素数是指真正参与感光成像的像素值，而最高像素的数值是感光

器件的真实像素，这个数据通常包含了感光器件的非成像部分，而有效像素是在镜头变焦倍

率下所换算出来的值。

对于手机的数码相机像素，目前只能处于初级发展阶段，像素数并不很高，大都在10万--130

万像素之间。数码相机的像素数越大，所拍摄的静态图像的分辨率也越大，相应的一张图片

所占用的空间也会增大。

有效像素：有效像素数英文名称为Effective Pixels。与最大像素不同，有效像素数是指真正

参与感光成像的像素值。最高像素的数值是感光器件的真实像素，这个数据通常包含了感光

器件的非成像部分，而有效像素是在镜头变焦倍率下所换算出来的值。

数码图片的储存方式一般以像素（Pixel）为单位，每个象素是数码图片里面积最小的单位。

像素越大，图片的面积越大。要增加一个图片的面积大小，如果没有更多的光进入感光器件，

唯一的办法就是把像素的面积增大，这样一来，可能会影响图片的锐力度和清晰度。所以，

在像素面积不变的情况下，数码相机能获得最大的图片像素，即为有效像素。

最大像素：最大像素英文名称为Maximum Pixels，所谓的最大像素是经过插值运算后获得

的。插值运算通过设在数码相机内部的DSP芯片，在需要放大图像时用最临近法插值、线

性插值等运算方法，在图像内添加图像放大后所需要增加的像素。插值运算后获得的图像质

量不能够与真正感光成像的图像相比。以最大像素拍摄的图片清晰度比不上以有效像素拍摄

的。

传感器：作为手机新型的拍摄功能，内置的数码相机功能与我们平时所见到的低端的（10万

--130万像素）数码相机相同。与传统相机相比，传统相机使用―胶卷‖作为其记录信息的载体，

而数码相机的―胶卷‖就是其成像感光器件，而且是与相机一体的，是数码相机的心脏。感光

器是数码相机的核心，也是最关键的技术。目前手机数码相机的核心成像部件有两种：一种

是广泛使用的CCD（电荷藕合）元件；另一种是CMOS（互补金属氧化物导体）器件。

CCD：电荷藕合器件图像传感器CCD（Charge Coupled Device），它使用一种高感光度的

半导体材料制成，能把光线转变成电荷，通过模数转换器芯片转换成数字信号，数字信号经

过压缩以后由相机内部的闪速存储器或内置硬盘卡保存，因而可以轻而易举地把数据传输给

计算机，并借助于计算机的处理手段，根据需要和想像来修改图像。CCD由许多感光单位组

成，通常以百万像素为单位。当CCD表面受到光线照射时，每个感光单位会将电荷反映在

组件上，所有的感光单位所产生的信号加在一起，就构成了一幅完整的画面。

CCD和传统底片相比，CCD 更接近于人眼对视觉的工作方式。只不过，人眼的视网膜是由

负责光强度感应的杆细胞和色彩感应的锥细胞，分工合作组成视觉感应。 CCD经过长达35

年的发展，大致的形状和运作方式都已经定型。CCD 的组成主要是由一个类似马赛克的网

格、聚光镜片以及垫于最底下的电子线路矩阵所组成。目前有能力生产 CCD 的公司分别为：

SONY、Philps、Kodak、Matsushita、Fuji和Sharp，大半是日本厂商。

CMOS：互补性氧化金属半导体CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）和

CCD一样同为在数码相机中可记录光线变化的半导体。CMOS的制造技术和一般计算机芯

片没什么差别，主要是利用硅和锗这两种元素所做成的半导体，使其在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。然而，CMOS的缺点就是太容易出现杂点, 这主要是因为早期的设计使

CMOS在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。

CCM：CCM其实就是CMOS镜头，只是CCM的画质比CMOS高一点，拍照时感应速度

也较快，但以照片品质来说还是逊色于CCD镜头，在实际拍摄中也可以感觉出来，取景速

度非常快，就算迅速移动手机摄像头时，屏幕都可以迅速显示所捕抓的画面，过程非常流畅，

几乎没有什么延迟。

CCD与CMOS有什么不同

由两种感光器件的工作原理可以看出，CCD的优势在于成像质量好，但是由于制造工艺复杂，

只有少数的厂商能够掌握，所以导致制造成本居高不下，特别是大型CCD，价格非常高昂。

在相同分辨率下，CMOS价格比CCD便宜，但是CMOS器件产生的图像质量相比CCD来

说要低一些。到目前为止，市面上绝大多数的消费级别以及高端数码相机都使用CCD作为

感应器；CMOS感应器则作为低端产品应用于一些摄像头上，若有哪家摄像头厂商生产的摄

想头使用CCD感应器，厂商一定会不遗余力地以其作为卖点大肆宣传，甚至冠以―数码相机‖

之名。一时间，是否具有CCD感应器变成了人们判断数码相机档次的标准之一。

CMOS影像传感器的优点之一是电源消耗量比CCD低，CCD为提供优异的影像品质，付出

代价即是较高的电源消耗量，为使电荷传输顺畅，噪声降低，需由高压差改善传输效果。但

CMOS影像传感器将每一画素的电荷转换成电压，读取前便将其放大，利用3.3V的电源即

可驱动，电源消耗量比CCD低。CMOS影像传感器的另一优点，是与周边电路的整合性高，

可将ADC与讯号处理器整合在一起，使体积大幅缩小，例如，CMOS影像传感器只需一组

电源，CCD却需三或四组电源，由于ADC与讯号处理器的制程与CCD不同，要缩小CCD

套件的体积很困难。但目前CMOS影像传感器首要解决的问题就是降低噪声的产生，未来

CMOS影像传感器是否可以改变长久以来被CCD压抑的宿命，往后技术的发展是重要关键。

感光器件的发展

CCD是1969年由美国的贝尔研究室所开发出来的。进入80年代，CCD影像传感器虽然有

缺陷，由于不断的研究终于克服了困难，而于80年代后半期制造出高分辨率且高品质的

CCD。到了90年代制造出百万像素之高分辨率CCD，此时CCD的发展更是突飞猛进，算

一算CCD 发展至今也有二十多个年头了。进入90年代中期后，CCD技术得到了迅猛发展，

同时，CCD的单位面积也越来越小。但为了在CCD面积减小的同时提高图像的成像质量，

SONY与1989年开发出了SUPER HAD CCD，这种新的感光器件是在CCD面积减小的情

况下，依靠CCD组件内部放大器的放大倍率提升成像质量。以后相继出现了NEW

STRUCTURE CCD、EXVIEW HAD CCD、四色滤光技术（专为SONY F828所应用）。而

富士数码相机则采用了超级CCD（Super CCD）、Super CCD SR。

对于CMOS来说，具有便于大规模生产，且速度快、成本较低，将是数字相机关键器件的发

展方向。目前，在CANON等公司的不断努力下，新的CMOS器件不断推陈出新，高动态

范围CMOS器件已经出现，这一技术消除了对快门、光圈、自动增益控制及伽玛校正的需要，

使之接近了CCD的成像质量。另外由于CMOS先天的可塑性，可以做出高像素的大型CMOS

感光器而成本却不上升多少。相对于CCD的停滞不前相比，CMOS作为新生事物而展示出

了蓬勃的活力。作为数码相机的核心部件，CMOS感光器以已经有逐渐取代CCD感光器的

趋势，并有希望在不久的将来成为主流的感光器。

影像感光器件因素

对于数码相机来说，影像感光器件成像的因素主要有两个方面：一是感光器件的面积；二是

感光器件的色彩深度。

感光器件面积越大，成像较大，相同条件下，能记录更多的图像细节，各像素间的干扰也小，

成像质量越好。但随着数码相机向时尚小巧化的方向发展，感光器件的面积也只能是越来越

小。

除了面积之外，感光器件还有一个重要指标，就是色彩深度，也就是色彩位，就是用多少位

的二进制数字来记录三种原色。非专业型数码相机的感光器件一般是24位的，高档点的采样

时是30位，而记录时仍然是24位，专业型数码相机的成像器件至少是36位的，据说已经有

了48位的CCD。对于24位的器件而言，感光单元能记录的光亮度值最多有2^8=256级，每

一种原色用一个8位的二进制数字来表示，最多能记录的色彩是256x256x256约16,77万种。

对于36位的器件而言，感光单元能记录的光亮度值最多有2^12=4096级，每一种原色用一个

12位的二进制数字来表示，最多能记录的色彩是4096x4096x4096约68.7亿种。举例来说，

如果某一被摄体，最亮部位的亮度是最暗部位亮度的400倍，用使用24位感光器件的数码相

机来拍摄的话，如果按低光部位曝光，则凡是亮度高于256备的部位，均曝光过度，层次损

失，形成亮斑，如果按高光部位来曝光，则某一亮度以下的部位全部曝光不足，如果用使用

了36位感光器件的专业数码相机，就不会有这样的问题。

当今的CMOS图像转换技术不仅服务于“传统的”工业图像处理，而且还凭借其卓越的性能和灵活

性而被日益广泛的新颖消费应用所接纳。此外，它还能确保汽车驾驶时的高安全性和舒适性。最

初，CMOS图像传感器被应用于工业图像处理；在那些旨在提高生产率、质量和生产工艺经济性

的全新自动化解决方案中，它至今仍然是至关重要的一环。

据市场研究公司IMS Research的预测，在未来的几年中，欧洲工业图像处理市场的年成长

率将达到6%，其中，在相机中集成了软件功能的智能型解决方案的市场份额将不断扩大。在德

国，据其全国工具机供应商协会VDMA提供的数据，2004年的图像处理市场增长率达到了14%。

市场调研公司In-Stat/MDR亦指出，单就图像传感器的次级市场而言，其年成长率将高达30%

以上，而且这种情况将持续到2008年。最为重要的是：CMOS传感器的成长速度将达到CCD

传感器的七倍，照相手机和数码相机的迅速普及是这种需求的主要推动因素。

显然，人们如此看好CMOS图像转换器的成长前景是基于这样一个事实，即：与垄断该领

域长达30多年的CCD技术相比，它能够更好地满足用户对各种应用中新型图像传感器不断提升

的品质要求，如更加灵活的图像捕获、更高的灵敏度、更宽的动态范围、更高的分辨率、更低的

功耗以及更加优良的系统集成等。此外，CMOS图像转换器还造就了一些迄今为止尚不能以经济

的方式来实现的新颖应用。另外，还有一些有利于CMOS传感器的“软”标准在起作用，包括：应

用支持、抗辐射性、快门类型、开窗口和光谱覆盖率等。不过，这种区别稍带几分任意性，因为

这些标准的重要程度将由于应用的不同(消费、工业或汽车)而发生变化。

细节表现中所面临的难题就像我们从模拟摄影所获知的那样，拍摄一幅完整场景的照片是一

件相当普通的事情，照相手机同样如此。但是，对于工业或汽车应用来说，情况就大不一样了：

有些场合并不需要很高的全帧数据速率。比如，在监控摄像机中，只要能够发现一幅场景中出现

的变化（因为这种变化可能预示着某种可疑情况），那么分辨率低一点也是完全可以接受的。在

此基础之上才需要借助全分辨率来采集更多的细节信息。跟着发生的动作将只在摄像机视场的某

一部分当中进行播放，而且，在所捕获的场景中，只有这一部分才是监控人员所关注的。

对于只提供全帧图像的CCD图像传感器而言，只有采用一个分离的评估电路才能够提供两

个观测角度，这意味着处理时间和成本的增加。然而，CMOS图像传感器的工作原理则与RAM

相似，所有的存储位均可单独读出。CMOS传感器的二次采样虽然提供了较低的分辨率，但是帧

速率较高；而开窗口则允许随机选择一块感兴趣的区域。

CMOS传感器坐拥高灵敏度、宽动态范围和低功耗优势最新CMOS传感器获得广泛应用的

一个前提是其所拥有的较高灵敏度、较短曝光时间和日渐缩小的像素尺寸。像素灵敏度的一个衡

量尺度是填充因子(感光面积与整个像素面积之比)与量子效率(由轰击屏幕的光子所生成的电子

的数量)的乘积。CCD传感器因其技术的固有特性而拥有一个很大的填充因子。而在CMOS图像

传感器中，为了实现堪与CCD转换器相媲美的噪声指标和灵敏度水平，人们给CMOS图像传感

器装配上了有源像素传感器(APS)，并且导致填充因子降低，原因是像素表面相当大的一部分面

积被放大器晶体管所占用，留给光电二极管的可用空间较小。所以，当今CMOS传感器的一个

重要的开发目标就是扩大填充因子。赛普拉斯(FillFactory)通过其获得专利授权的一项技术，可

以大幅度地提高填充因子，这种技术可以把一颗标准CMOS硅芯片最大的一部分面积变为一块

感光区域。

另外，对于一个典型的工业用图象传感器而言，由于许多场景的拍摄都是在照明条件很差的

情况下进行的，因此拥有较大的动态范围将是十分有益的。CMOS图像传感器通过多斜率操作实

现了这一目标：转换曲线由倾度不同的直线部分所组成，它们共同形成了一个非线性特征曲线。

因此，一幅场景的黑暗部分有可能占据集成模拟-数字转换器转换范围的很大一部分：转换特征曲

线在这里最为陡峭，以实现高灵敏度和对比度。特征曲线上半部分的平整化将在图像的明亮部分

捕获几个数量级的过度曝光，并以一个更加细致的标度来表现它们。采用多斜率的方式来运作

LUPA-4000将使高达90dB的光动态范围与一个10位A/D转换范围相匹配。

具有VGA分辨率的IM-001系列CMOS图像传感器在此基础上更进一步；它们是专为汽车

应用而设计的。其像素由光电二极管组成，可提供高达120dB的自适应动态范围。面向汽车应

用的ACM 100相机模块就采用了这些传感器，这种相机模块据称是同类产品中率先面市的全集

成化相机解决方案：该视觉解决方案被看作是面向驾驶者保护、防撞、夜视支持和轮胎跟踪导向

的未来汽车安全系统的关键元件。

此外，对于独立于电网的便携式应用而言，以低功耗特性而著称的CMOS技术还具有一个

明显的优势：CMOS图像传感器是针对5V和3.3V电源电压而设计的。而CCD芯片则需要大

约12V的电源电压，因此不得不采用一个电压转换器，从而导致功耗增加。在总功耗方面，把控

制和系统功能集成到CMOS传感器中将带来另一个好处：它去除了与其他半导体元件的所有外

部连接线。其高功耗的驱动器如今已遭弃用，这是因为在芯片内部进行通信所消耗的能量要比通

过PCB或衬底的外部实现方式低得多。

扩展光谱灵敏度和提高分辨率是大趋势在现代CMOS图像传感器中，一个重要的发展趋势

是其光谱灵敏度扩展到了近红外区NIR(至约1,100nm的波长)。配备了IM-001 CMOS图像

传感器的汽车应用将改善雾穿透力和夜视能力。由于工业图像捕获技术开始运用更多波长位于

NIR之中的光源，而且生物技术也在利用该光谱区域中的有趣现象，因此，新开发的IBIS

5-AE-1300传感器具有700～900nm的NIR灵敏度。

在面向消费应用的图像捕获技术中，另一个发展趋势是继续提高分辨率。到2005年年中，

70%左右的手机相机已具有VGA格式分辨率(640×480像素)；但随后的2006年，几百万像

素的传感器就将占领50%的市场份额，而到2008年，其市场占有率预计将进一步攀升至90%

以上。为此，赛普拉斯公司开发了一种用于蜂窝电话的300万像素图像传感器，该产品采用了

Autobrite技术，可进行12位模拟/数字转换，并提供了72dB的宽广动态范围，而目前市面上

的10位模拟/数字转换器的动态范围仅为60dB。逐行扫描模式中的帧速率高达30帧/秒，因而

可录制实况视频节目。

在工业和商业领域中，这种发展趋势也很明显：赛普拉斯已推出一款用于Kodak数码相机

的1,300万像素/35mm图像传感器，另外，660万像素的IBIS 4-6600传感器正在一种面向

弱视人群的自动阅读辅助装置中证明自己的卓越品质——它可在一幅完整的标准A4页面上提供

出色的分辨率。

凭借技术实现系统集成 由于蜂窝电话、数码相机、MP3播放机和PDA等传统分离型功能设

备的加速数字融合(即成为一部紧凑的消费型电子产品)，导致人们越来越希望至少具有部分自主

性的子系统能够在一部设备中提供极为宽泛的功能。这种趋势还将对专业测量技术产生影响：利

用包含一个数码相机、PDA用户接口和WLAN联网能力的便携式检验工具，光测试和监视的应

用范围将得到有效的拓展。作为一种平台技术，CMOS符合这一发展潮流：CCD图像转换器仍

然需要采用外部逻辑电路来实现控制和模拟/数字转换功能，而CMOS标准逻辑器件则能够把传

感器、控制器、转换器和评估逻辑电路等全部集成到一块芯片之中。

一个典型的例子如专门针对要求苛刻的消费应用而制作的CYIWCSC1300AA芯片的图像捕

获电路。它基于130万像素图像传感器CYIWOSC1300AA和一个用于提供误差插补、黑电平

调整、透镜校正、信号互串校正、彩色马赛克修补、彩色校正、自动曝光、噪声抑制、特效和γ

校正等等诸多功能的附加信号处理器。集成更多的系统功能(一直到自主型光电传感器系统)是可

行的，这主要取决于诸如市场容量和开发成本等经济目标和限制因素。

IMS Research公司的资深市场分析家John Morse指出：“工业图像处理市场的变化非常

快，不光是在技术层面上，而且还涉及近期发生的制造商合并事件。我们认为这种趋势还将继续

下去。”果真如此，那么这同样适用于赛普拉斯公司：通过收购MIT(美国麻省理工学院)于1999

年成立的SMal Camera Technologies公司，赛普拉斯已将其业务触角延伸到了消费和汽车领

域；而兼并FillFactory(这是一家于1999年从总部位于比利时Leuven的著名欧洲微电子和纳

米技术研究中心IMEC抽资脱离而成的公司)则使赛普拉斯进一步跻身工业领域。

CMOS图像传感器市场正在蓬勃发展之中，即将成为一个大规模市场。它在很大程度上仍然

依赖于客户专用设计来满足规格和系统集成方面的一组定制要求。不过，它将越来越多地提供通

用的标准解决方案。分辨率、帧速率和灵敏度的提高以及成本的下降正使其应用领域不断地扩大

重要的一环。

2024年9月17日发(作者：潜梓暄)

CCD与CMOS传感器是当前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。

如下图所示，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。

左图为CCD传感器的结构，右图为CMOS传感器的结构

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：如上所述，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，当我们比较相同尺寸的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，目前市面上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近期推出的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公司去年推出了1/7英寸、CIF等级的产品，

其功耗却仍保持在90mW 以上，虽然该公司近期将推出35mW的新产品，但仍与CMOS

传感器存在差距，且仍处于样品阶段。

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，例如，CCD传感器一直在功耗上作改进，

以应用于移动通信市场(这方面的代表业者为Sanyo)；CMOS传感器则在改善分辨率与灵敏

度方面的不足，以应用于更高端的图像产品，我们可以从以下各主要厂商的产品规划来看出

一些端倪。

数码相机采用电子元器件成像而非胶卷——这是数码相机与传统相机最本质的区别所在。数

码相机的成像器件主要分为两类：

CCD——英文Charge Couple Device的缩写，中文名称―电荷耦合器件‖。

CMOS——英文Complementary Metal-Oxide Semiconductor的缩写，中文名称为―互补金

属氧化物半导体‖。

CCD技术成熟，成像质量好，毕竟它是现在应用的最广泛的成像元件，优点在于

1）CCD从一开始就是为图像而生。CCD从根本上说，就是采用为图像和电荷传输优化设计

的制造技术。这种技术，保证了CCD的性能不会因为减小像素尺寸，而发生降低。这种专

用技术的应用，当然也造成了CCD的一大劣势－－不能集成其他图像处理功能到这块传感

器上。

2）CCD传感器从根本上避免了由于像素窜扰产生的fixed-pattern noise (固定图样噪声，

FPN)，以及temporal noise（暂时噪声）。而这两种噪音在CMOS上是永远不能避免的。

但它也有其缺点：

1）耗电量大。早期的数码相机有―电老虎‖的―美誉‖，主要原因之一便来自CCD。虽然现在采

用低温多晶硅显示屏等低能耗的部件在一定程度上降低了相机的功率，但CCD依然是数码

相机的耗电大户——CCD从数码相机一开机便随时保持着工作状态，更是无谓地消耗大量的

电能。

2） 工艺复杂，成本较高。CCD复杂的结构决定了它制造工艺的复杂性，因而到目前为止，

CCD还只有为数不多的几家电子产业巨头能生产。

3）像素提升难度大。CCD前两个缺点也直接导致了这一个缺点，CCD像素提升无非是通过

两个途径：第一，保持感光元件单位面积不变而增大CCD面积，在大面积CCD上集成更多

的感光元件。但是这种方式会导致CCD成品率降低，制造成本更高，功耗更大，在民用领

域这是不现实的；第二，缩小感光元件单位面积，在现有水平的CCD面积上集成更多感光

元件。但是这种方法会减少感光元件的单位感光面积，降低CCD整体的灵敏度和动态范围，

影响画质。

CMOS在最近几年的发展速度相当不错，大有与CCD分庭抗争之势——就连目前最顶级的

DSLR（单镜头反光数码相机）柯达（Kodak）DCS 14n与佳能(Canon) EOS 1Ds均是采用

CMOS成像。

相比CCD，CMOS有几个最突出的优点：

1） 价格低廉，制造工艺简单。CMOS可以利用普通半导体生产线进行生产，不象CCD那

样要求特殊的生产工艺，所以制造成本低得多。而且CMOS尺寸与成品率都不如CCD有很

多限制。

2）耗电量低。虽然CMOS的滤镜布局与CCD差别不大，但在感光单元的电路结构上却有

很大差别。CMOS每个感光元件都具备独立的电荷/电压转换电路，可将光电转换后的电信

号独立放大输出——这比起CCD将所有的信号全部收集起来再放大输出，速度快了很多。

而且CMOS的感光元件只在感光成像时才会工作，所以比CCD更省电。但CMOS同样存

在缺点，如果在使用数码相机时成像动作较多，那么CMOS在频繁的启动过程中会因为多变

的电流而产生热量，导致杂波并影响画质。

3）便于集成。通过CMOS工艺可以方便地做出具有缓存、像素级图像处理、A/D、D/A集

成的SoC方案。CCD结构和原理上不允许这么做。

4）CMOS图像传感器结构上便于采用高速的并行读取体系。就像今年IEEE一个会议上，

SONY发布了连拍速度高达60FPS的CMOS传感器。从读取架构上看，CMOS具有决定性

的优势。由于CCD原理、结构的限制，它不能采用这种并行的读取架构，只能另辟蹊径。

手机的数码相机功能指的是手机是否可以通过内置或是外接的数码相机进行拍摄静态图片或

短片拍摄，作为手机的一项新的附加功能，手机的数码相机功能得到了迅速的发展。

手机摄像头分为内置与外置，内置摄像头是指摄像头在手机内部，更方便。外置手机通过数

据线或者手机下部接口与数码相机相连，来完成数码相机的一切拍摄功能。外置数码相机的

优点在于可以减轻手机的重量，而且外置数码相机重量轻，携带方便，使用方法简单。

处于发展阶段的手机的数码相机的性能应该也处于初级阶段，带有光学变焦的手机目前国内

销售的还没有这个功能，不过相信随着手机数码相机功能的发展，带有光学变焦的手机也会

逐渐上市，但大部分都拥有数码变焦功能。除此之外，目前手机的数码相机功能主要包括拍

摄静态图像，连拍功能，短片拍摄，镜头可旋转，自动白平衡，内置闪光灯等等。

手机的拍摄功能是与其屏幕材质、屏幕的分辨率、摄像头像素、摄像头材质有直接关系。

像素：数码相机的像素数包括有效像素（Effective Pixels）和最大像素（Maximum Pixels）。

与最大像素不同的是有效像素数是指真正参与感光成像的像素值，而最高像素的数值是感光

器件的真实像素，这个数据通常包含了感光器件的非成像部分，而有效像素是在镜头变焦倍

率下所换算出来的值。

对于手机的数码相机像素，目前只能处于初级发展阶段，像素数并不很高，大都在10万--130

万像素之间。数码相机的像素数越大，所拍摄的静态图像的分辨率也越大，相应的一张图片

所占用的空间也会增大。

有效像素：有效像素数英文名称为Effective Pixels。与最大像素不同，有效像素数是指真正

参与感光成像的像素值。最高像素的数值是感光器件的真实像素，这个数据通常包含了感光

器件的非成像部分，而有效像素是在镜头变焦倍率下所换算出来的值。

数码图片的储存方式一般以像素（Pixel）为单位，每个象素是数码图片里面积最小的单位。

像素越大，图片的面积越大。要增加一个图片的面积大小，如果没有更多的光进入感光器件，

唯一的办法就是把像素的面积增大，这样一来，可能会影响图片的锐力度和清晰度。所以，

在像素面积不变的情况下，数码相机能获得最大的图片像素，即为有效像素。

最大像素：最大像素英文名称为Maximum Pixels，所谓的最大像素是经过插值运算后获得

的。插值运算通过设在数码相机内部的DSP芯片，在需要放大图像时用最临近法插值、线

性插值等运算方法，在图像内添加图像放大后所需要增加的像素。插值运算后获得的图像质

量不能够与真正感光成像的图像相比。以最大像素拍摄的图片清晰度比不上以有效像素拍摄

的。

传感器：作为手机新型的拍摄功能，内置的数码相机功能与我们平时所见到的低端的（10万

--130万像素）数码相机相同。与传统相机相比，传统相机使用―胶卷‖作为其记录信息的载体，

而数码相机的―胶卷‖就是其成像感光器件，而且是与相机一体的，是数码相机的心脏。感光

器是数码相机的核心，也是最关键的技术。目前手机数码相机的核心成像部件有两种：一种

是广泛使用的CCD（电荷藕合）元件；另一种是CMOS（互补金属氧化物导体）器件。

CCD：电荷藕合器件图像传感器CCD（Charge Coupled Device），它使用一种高感光度的

半导体材料制成，能把光线转变成电荷，通过模数转换器芯片转换成数字信号，数字信号经

过压缩以后由相机内部的闪速存储器或内置硬盘卡保存，因而可以轻而易举地把数据传输给

计算机，并借助于计算机的处理手段，根据需要和想像来修改图像。CCD由许多感光单位组

成，通常以百万像素为单位。当CCD表面受到光线照射时，每个感光单位会将电荷反映在

组件上，所有的感光单位所产生的信号加在一起，就构成了一幅完整的画面。

CCD和传统底片相比，CCD 更接近于人眼对视觉的工作方式。只不过，人眼的视网膜是由

负责光强度感应的杆细胞和色彩感应的锥细胞，分工合作组成视觉感应。 CCD经过长达35

年的发展，大致的形状和运作方式都已经定型。CCD 的组成主要是由一个类似马赛克的网

格、聚光镜片以及垫于最底下的电子线路矩阵所组成。目前有能力生产 CCD 的公司分别为：

SONY、Philps、Kodak、Matsushita、Fuji和Sharp，大半是日本厂商。

CMOS：互补性氧化金属半导体CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）和

CCD一样同为在数码相机中可记录光线变化的半导体。CMOS的制造技术和一般计算机芯

片没什么差别，主要是利用硅和锗这两种元素所做成的半导体，使其在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。然而，CMOS的缺点就是太容易出现杂点, 这主要是因为早期的设计使

CMOS在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。

CCM：CCM其实就是CMOS镜头，只是CCM的画质比CMOS高一点，拍照时感应速度

也较快，但以照片品质来说还是逊色于CCD镜头，在实际拍摄中也可以感觉出来，取景速

度非常快，就算迅速移动手机摄像头时，屏幕都可以迅速显示所捕抓的画面，过程非常流畅，

几乎没有什么延迟。

CCD与CMOS有什么不同

由两种感光器件的工作原理可以看出，CCD的优势在于成像质量好，但是由于制造工艺复杂，

只有少数的厂商能够掌握，所以导致制造成本居高不下，特别是大型CCD，价格非常高昂。

在相同分辨率下，CMOS价格比CCD便宜，但是CMOS器件产生的图像质量相比CCD来

说要低一些。到目前为止，市面上绝大多数的消费级别以及高端数码相机都使用CCD作为

感应器；CMOS感应器则作为低端产品应用于一些摄像头上，若有哪家摄像头厂商生产的摄

想头使用CCD感应器，厂商一定会不遗余力地以其作为卖点大肆宣传，甚至冠以―数码相机‖

之名。一时间，是否具有CCD感应器变成了人们判断数码相机档次的标准之一。

CMOS影像传感器的优点之一是电源消耗量比CCD低，CCD为提供优异的影像品质，付出

代价即是较高的电源消耗量，为使电荷传输顺畅，噪声降低，需由高压差改善传输效果。但

CMOS影像传感器将每一画素的电荷转换成电压，读取前便将其放大，利用3.3V的电源即

可驱动，电源消耗量比CCD低。CMOS影像传感器的另一优点，是与周边电路的整合性高，

可将ADC与讯号处理器整合在一起，使体积大幅缩小，例如，CMOS影像传感器只需一组

电源，CCD却需三或四组电源，由于ADC与讯号处理器的制程与CCD不同，要缩小CCD

套件的体积很困难。但目前CMOS影像传感器首要解决的问题就是降低噪声的产生，未来

CMOS影像传感器是否可以改变长久以来被CCD压抑的宿命，往后技术的发展是重要关键。

感光器件的发展

CCD是1969年由美国的贝尔研究室所开发出来的。进入80年代，CCD影像传感器虽然有

缺陷，由于不断的研究终于克服了困难，而于80年代后半期制造出高分辨率且高品质的

CCD。到了90年代制造出百万像素之高分辨率CCD，此时CCD的发展更是突飞猛进，算

一算CCD 发展至今也有二十多个年头了。进入90年代中期后，CCD技术得到了迅猛发展，

同时，CCD的单位面积也越来越小。但为了在CCD面积减小的同时提高图像的成像质量，

SONY与1989年开发出了SUPER HAD CCD，这种新的感光器件是在CCD面积减小的情

况下，依靠CCD组件内部放大器的放大倍率提升成像质量。以后相继出现了NEW

STRUCTURE CCD、EXVIEW HAD CCD、四色滤光技术（专为SONY F828所应用）。而

富士数码相机则采用了超级CCD（Super CCD）、Super CCD SR。

对于CMOS来说，具有便于大规模生产，且速度快、成本较低，将是数字相机关键器件的发

展方向。目前，在CANON等公司的不断努力下，新的CMOS器件不断推陈出新，高动态

范围CMOS器件已经出现，这一技术消除了对快门、光圈、自动增益控制及伽玛校正的需要，

使之接近了CCD的成像质量。另外由于CMOS先天的可塑性，可以做出高像素的大型CMOS

感光器而成本却不上升多少。相对于CCD的停滞不前相比，CMOS作为新生事物而展示出

了蓬勃的活力。作为数码相机的核心部件，CMOS感光器以已经有逐渐取代CCD感光器的

趋势，并有希望在不久的将来成为主流的感光器。

影像感光器件因素

对于数码相机来说，影像感光器件成像的因素主要有两个方面：一是感光器件的面积；二是

感光器件的色彩深度。

感光器件面积越大，成像较大，相同条件下，能记录更多的图像细节，各像素间的干扰也小，

成像质量越好。但随着数码相机向时尚小巧化的方向发展，感光器件的面积也只能是越来越

小。

除了面积之外，感光器件还有一个重要指标，就是色彩深度，也就是色彩位，就是用多少位

的二进制数字来记录三种原色。非专业型数码相机的感光器件一般是24位的，高档点的采样

时是30位，而记录时仍然是24位，专业型数码相机的成像器件至少是36位的，据说已经有

了48位的CCD。对于24位的器件而言，感光单元能记录的光亮度值最多有2^8=256级，每

一种原色用一个8位的二进制数字来表示，最多能记录的色彩是256x256x256约16,77万种。

对于36位的器件而言，感光单元能记录的光亮度值最多有2^12=4096级，每一种原色用一个

12位的二进制数字来表示，最多能记录的色彩是4096x4096x4096约68.7亿种。举例来说，

如果某一被摄体，最亮部位的亮度是最暗部位亮度的400倍，用使用24位感光器件的数码相

机来拍摄的话，如果按低光部位曝光，则凡是亮度高于256备的部位，均曝光过度，层次损

失，形成亮斑，如果按高光部位来曝光，则某一亮度以下的部位全部曝光不足，如果用使用

了36位感光器件的专业数码相机，就不会有这样的问题。

当今的CMOS图像转换技术不仅服务于“传统的”工业图像处理，而且还凭借其卓越的性能和灵活

性而被日益广泛的新颖消费应用所接纳。此外，它还能确保汽车驾驶时的高安全性和舒适性。最

初，CMOS图像传感器被应用于工业图像处理；在那些旨在提高生产率、质量和生产工艺经济性

的全新自动化解决方案中，它至今仍然是至关重要的一环。

据市场研究公司IMS Research的预测，在未来的几年中，欧洲工业图像处理市场的年成长

率将达到6%，其中，在相机中集成了软件功能的智能型解决方案的市场份额将不断扩大。在德

国，据其全国工具机供应商协会VDMA提供的数据，2004年的图像处理市场增长率达到了14%。

市场调研公司In-Stat/MDR亦指出，单就图像传感器的次级市场而言，其年成长率将高达30%

以上，而且这种情况将持续到2008年。最为重要的是：CMOS传感器的成长速度将达到CCD

传感器的七倍，照相手机和数码相机的迅速普及是这种需求的主要推动因素。

显然，人们如此看好CMOS图像转换器的成长前景是基于这样一个事实，即：与垄断该领

域长达30多年的CCD技术相比，它能够更好地满足用户对各种应用中新型图像传感器不断提升

的品质要求，如更加灵活的图像捕获、更高的灵敏度、更宽的动态范围、更高的分辨率、更低的

功耗以及更加优良的系统集成等。此外，CMOS图像转换器还造就了一些迄今为止尚不能以经济

的方式来实现的新颖应用。另外，还有一些有利于CMOS传感器的“软”标准在起作用，包括：应

用支持、抗辐射性、快门类型、开窗口和光谱覆盖率等。不过，这种区别稍带几分任意性，因为

这些标准的重要程度将由于应用的不同(消费、工业或汽车)而发生变化。

细节表现中所面临的难题就像我们从模拟摄影所获知的那样，拍摄一幅完整场景的照片是一

件相当普通的事情，照相手机同样如此。但是，对于工业或汽车应用来说，情况就大不一样了：

有些场合并不需要很高的全帧数据速率。比如，在监控摄像机中，只要能够发现一幅场景中出现

的变化（因为这种变化可能预示着某种可疑情况），那么分辨率低一点也是完全可以接受的。在

此基础之上才需要借助全分辨率来采集更多的细节信息。跟着发生的动作将只在摄像机视场的某

一部分当中进行播放，而且，在所捕获的场景中，只有这一部分才是监控人员所关注的。

对于只提供全帧图像的CCD图像传感器而言，只有采用一个分离的评估电路才能够提供两

个观测角度，这意味着处理时间和成本的增加。然而，CMOS图像传感器的工作原理则与RAM

相似，所有的存储位均可单独读出。CMOS传感器的二次采样虽然提供了较低的分辨率，但是帧

速率较高；而开窗口则允许随机选择一块感兴趣的区域。

CMOS传感器坐拥高灵敏度、宽动态范围和低功耗优势最新CMOS传感器获得广泛应用的

一个前提是其所拥有的较高灵敏度、较短曝光时间和日渐缩小的像素尺寸。像素灵敏度的一个衡

量尺度是填充因子(感光面积与整个像素面积之比)与量子效率(由轰击屏幕的光子所生成的电子

的数量)的乘积。CCD传感器因其技术的固有特性而拥有一个很大的填充因子。而在CMOS图像

传感器中，为了实现堪与CCD转换器相媲美的噪声指标和灵敏度水平，人们给CMOS图像传感

器装配上了有源像素传感器(APS)，并且导致填充因子降低，原因是像素表面相当大的一部分面

积被放大器晶体管所占用，留给光电二极管的可用空间较小。所以，当今CMOS传感器的一个

重要的开发目标就是扩大填充因子。赛普拉斯(FillFactory)通过其获得专利授权的一项技术，可

以大幅度地提高填充因子，这种技术可以把一颗标准CMOS硅芯片最大的一部分面积变为一块

感光区域。

另外，对于一个典型的工业用图象传感器而言，由于许多场景的拍摄都是在照明条件很差的

情况下进行的，因此拥有较大的动态范围将是十分有益的。CMOS图像传感器通过多斜率操作实

现了这一目标：转换曲线由倾度不同的直线部分所组成，它们共同形成了一个非线性特征曲线。

因此，一幅场景的黑暗部分有可能占据集成模拟-数字转换器转换范围的很大一部分：转换特征曲

线在这里最为陡峭，以实现高灵敏度和对比度。特征曲线上半部分的平整化将在图像的明亮部分

捕获几个数量级的过度曝光，并以一个更加细致的标度来表现它们。采用多斜率的方式来运作

LUPA-4000将使高达90dB的光动态范围与一个10位A/D转换范围相匹配。

具有VGA分辨率的IM-001系列CMOS图像传感器在此基础上更进一步；它们是专为汽车

应用而设计的。其像素由光电二极管组成，可提供高达120dB的自适应动态范围。面向汽车应

用的ACM 100相机模块就采用了这些传感器，这种相机模块据称是同类产品中率先面市的全集

成化相机解决方案：该视觉解决方案被看作是面向驾驶者保护、防撞、夜视支持和轮胎跟踪导向

的未来汽车安全系统的关键元件。

此外，对于独立于电网的便携式应用而言，以低功耗特性而著称的CMOS技术还具有一个

明显的优势：CMOS图像传感器是针对5V和3.3V电源电压而设计的。而CCD芯片则需要大

约12V的电源电压，因此不得不采用一个电压转换器，从而导致功耗增加。在总功耗方面，把控

制和系统功能集成到CMOS传感器中将带来另一个好处：它去除了与其他半导体元件的所有外

部连接线。其高功耗的驱动器如今已遭弃用，这是因为在芯片内部进行通信所消耗的能量要比通

过PCB或衬底的外部实现方式低得多。

扩展光谱灵敏度和提高分辨率是大趋势在现代CMOS图像传感器中，一个重要的发展趋势

是其光谱灵敏度扩展到了近红外区NIR(至约1,100nm的波长)。配备了IM-001 CMOS图像

传感器的汽车应用将改善雾穿透力和夜视能力。由于工业图像捕获技术开始运用更多波长位于

NIR之中的光源，而且生物技术也在利用该光谱区域中的有趣现象，因此，新开发的IBIS

5-AE-1300传感器具有700～900nm的NIR灵敏度。

在面向消费应用的图像捕获技术中，另一个发展趋势是继续提高分辨率。到2005年年中，

70%左右的手机相机已具有VGA格式分辨率(640×480像素)；但随后的2006年，几百万像

素的传感器就将占领50%的市场份额，而到2008年，其市场占有率预计将进一步攀升至90%

以上。为此，赛普拉斯公司开发了一种用于蜂窝电话的300万像素图像传感器，该产品采用了

Autobrite技术，可进行12位模拟/数字转换，并提供了72dB的宽广动态范围，而目前市面上

的10位模拟/数字转换器的动态范围仅为60dB。逐行扫描模式中的帧速率高达30帧/秒，因而

可录制实况视频节目。

在工业和商业领域中，这种发展趋势也很明显：赛普拉斯已推出一款用于Kodak数码相机

的1,300万像素/35mm图像传感器，另外，660万像素的IBIS 4-6600传感器正在一种面向

弱视人群的自动阅读辅助装置中证明自己的卓越品质——它可在一幅完整的标准A4页面上提供

出色的分辨率。

凭借技术实现系统集成 由于蜂窝电话、数码相机、MP3播放机和PDA等传统分离型功能设

备的加速数字融合(即成为一部紧凑的消费型电子产品)，导致人们越来越希望至少具有部分自主

性的子系统能够在一部设备中提供极为宽泛的功能。这种趋势还将对专业测量技术产生影响：利

用包含一个数码相机、PDA用户接口和WLAN联网能力的便携式检验工具，光测试和监视的应

用范围将得到有效的拓展。作为一种平台技术，CMOS符合这一发展潮流：CCD图像转换器仍

然需要采用外部逻辑电路来实现控制和模拟/数字转换功能，而CMOS标准逻辑器件则能够把传

感器、控制器、转换器和评估逻辑电路等全部集成到一块芯片之中。

一个典型的例子如专门针对要求苛刻的消费应用而制作的CYIWCSC1300AA芯片的图像捕

获电路。它基于130万像素图像传感器CYIWOSC1300AA和一个用于提供误差插补、黑电平

调整、透镜校正、信号互串校正、彩色马赛克修补、彩色校正、自动曝光、噪声抑制、特效和γ

校正等等诸多功能的附加信号处理器。集成更多的系统功能(一直到自主型光电传感器系统)是可

行的，这主要取决于诸如市场容量和开发成本等经济目标和限制因素。

IMS Research公司的资深市场分析家John Morse指出：“工业图像处理市场的变化非常

快，不光是在技术层面上，而且还涉及近期发生的制造商合并事件。我们认为这种趋势还将继续

下去。”果真如此，那么这同样适用于赛普拉斯公司：通过收购MIT(美国麻省理工学院)于1999

年成立的SMal Camera Technologies公司，赛普拉斯已将其业务触角延伸到了消费和汽车领

域；而兼并FillFactory(这是一家于1999年从总部位于比利时Leuven的著名欧洲微电子和纳

米技术研究中心IMEC抽资脱离而成的公司)则使赛普拉斯进一步跻身工业领域。

CMOS图像传感器市场正在蓬勃发展之中，即将成为一个大规模市场。它在很大程度上仍然

依赖于客户专用设计来满足规格和系统集成方面的一组定制要求。不过，它将越来越多地提供通

用的标准解决方案。分辨率、帧速率和灵敏度的提高以及成本的下降正使其应用领域不断地扩大

重要的一环。