第3講 CCD 與 CMOS 感光元件結構透視

Mr.OH!主述 / ANAN 編譯

• CCD 和 CMOS 感光元件的區別

 

Olympus E1 CCD 感光套件（包含超音波除塵器）

        Mr.OH! 在第二講中概略地介紹了 CCD 與 CMOS，但對於大多數的同學來說，看得到的卻是一顆顆已經整合好的晶片組合！內部詳細的結構，以及到底是如何運作產生我們看到的一幅幅數位照片，且我們撇開複雜的技術文字，透過圖片比較，來看這兩種不同類型，作用卻又相同的影像感光元件。

• 放大器位置和數量

        比較 CCD 和 CMOS 的結構，放大器的位置和數量是最大的不同之處，Mr.OH! 會在下一講  CCD 感光元件工作原理（上），提及完整的感光元件作業流程。此講中，Mr.OH!簡單地解釋：CCD 每曝光一次，自快門關閉或是內部時脈自動斷線（電子快門）後，即進行畫素轉移處理，將每一行中每一個畫素（pixel）的電荷信號依序傳入『緩衝器（電荷儲存器）』中，由底端的線路導引輸出至 CCD 旁的放大器進行放大，再串聯 ADC（類比數位資料轉換器） 輸出；相對地，CMOS 的設計中每個畫素旁就直接連著『放大器』，光電訊號可直接放大再經由 BUS 通路移動至 ADC 中轉換成數位資料。

• 兩者優缺點的比較

CCD 與 CMOS 感光元件之優缺點比較

	CCD	CMOS
設計	單一感光器	感光器連結放大器
靈敏度	同樣面積下較高	感光開口小低 （Fill Factor 因感光開口大，較高）
成本	線路品質影響良率 高	整合製程 低
解析度	結構複雜度低 高	傳統技術較低 新技術擺脫面積限制，可達全片幅
雜訊比	單一放大器主控 低	多元放大器，誤差大 高
耗能比	需外加電壓導出電荷 高	畫素直接放大 低
反應速度	慢	快
IPA (個別畫素定址）	無	有
製造機具	特殊訂製機台	可以使用記憶體或處理器製造機

        由於構造上的基本差異，我們可以表列出兩者在性能上的表現之不同。CCD的特色在於充分保持信號在傳輸時不失真（專屬通道設計），透過每一個畫素集合至單一放大器上再做統一處理，可以保持資料的完整性；CMOS的制程較簡單，沒有專屬通道的設計，因此必須先行放大再整合各個畫素的資料。

CCD 與 CMOS 電路結構之完整比較（摘錄自 SHARP 月刊）

• 差異分析

        整體來說，CCD 與 CMOS 兩種設計的應用，反應在成像效果上，形成包括 ISO 感光度、製造成本、解析度、雜訊與耗電量等，不同類型的差異：

1. ISO 感光度差異：由於 CMOS 每個畫素包含了放大器與A/D轉換電路，過多的額外設備壓縮單一畫素的感光區域的表面積，因此在 相同畫素下，同樣大小之感光器尺寸，CMOS的感光度會低於CCD。
   　

2. 成本差異：CMOS 應用半導體工業常用的 MOS制程，可以一次整合全部周邊設施於單晶片中，節省加工晶片所需負擔的成本 和良率的損失；相對地 CCD 採用電荷傳遞的方式輸出資訊，必須另闢傳輸通道，如果通道中有一個畫素故障（Fail），就會導致一整排的 訊號壅塞，無法傳遞，因此CCD的良率比CMOS低，加上另闢傳輸通道和外加 ADC 等周邊，CCD的製造成本相對高於CMOS。
   　

3. 解析度差異：在第一點『感光度差異』中，由於 CMOS 每個畫素的結構比 CCD 複雜，其感光開口不及CCD大， 相對比較相同尺寸的CCD與CMOS感光器時，CCD感光器的解析度通常會優於CMOS。不過，如果跳脫尺寸限制，目前業界的CMOS 感光原件已經可達到1400萬 畫素 / 全片幅的設計，CMOS 技術在量率上的優勢可以克服大尺寸感光原件製造上的困難，特別是全片幅 24mm-by-36mm 這樣的大小。
   　

4. 雜訊差異：由於CMOS每個感光二極體旁都搭配一個 ADC 放大器，如果以百萬畫素計，那麼就需要百萬個以上的 ADC 放大器，雖然是統一製造下的產品，但是每個放大器或多或少都有些微的差異存在，很難達到放大同步的效果，對比單一個放大器的CCD，CMOS最終計算出的雜訊就比較多。
   　

5. 耗電量差異：CMOS的影像電荷驅動方式為主動式，感光二極體所產生的電荷會直接由旁邊的電晶體做放大輸出；但CCD卻為被動式， 必須外加電壓讓每個畫素中的電荷移動至傳輸通道。而這外加電壓通常需要12伏特（V）以上的水平，因此 CCD 還必須要有更精密的電源線路設計和耐壓強度，高驅動電壓使 CCD 的電量遠高於CMOS。

6. 其他差異：IPA（Indiviual Pixel Addressing）常被使用在數位變焦放大之中，CMOS 必須仰賴 x,y 畫面定位放大處理，否則由於個別畫素放大器之誤差，容易產生畫面不平整的問題。製造機具上，CCD 必須特別訂製的機台才能製造，也因此生產高畫素的 CCD 元件產生不出日本和美國，CMOS 的生產一般記憶體/處理器機台即可擔負。

• Fill Factor CMOS 開創新未來

CMOS 完整 3D透視 與 平面結構，位於最上層的為 MicroLens 微型聚光鏡片

         儘管 CCD 在影像品質等各方面均優於CMOS，但不可否認的CMOS具有低成本、低耗電以及高整合度的特性。 由於數位影像的需求熱烈，CMOS的低成本和穩定供貨，成為廠商的最愛，也因此其製造技術不斷地改良更新，使得 CCD 與 CMOS 兩者的差異逐漸縮小 。新一代的CCD朝向耗電量減少作為改進目標，以期進入照相手機的行動通訊市場；CMOS系列，則開始朝向大尺寸面積與高速影像處理晶片統合，藉由後續的影像處理修正雜訊以及畫質表現， 特別是 Canon 系列的 EOS D30 、EOS 300D 的成功，足見高速影像處理晶片已經可以勝任高畫素 CMOS 所產生的影像處理時間與能力的縮短；另外，大尺寸全片幅則以 Kodak DCS Pro14n、DCS Pro/n、DCS Pro/c 這一系列的數位機身為號召，CMOS未來跨足高階的影像市場產品，前景可期。

     

Fill Factor CMOS 由於感光開口加大，不需要MicroLens輔助聚光，改以平面玻璃覆蓋保護，
此一不同之處，使得 FF CMOS 的影像表現不會受制於微型鏡片的干擾，而能夠呈現更佳的影像效果