影像處理研究之CCD與CMOS

CCD (Charge Coupled Device)感光耦合元件為數位相機中可記錄光線變化的半導體，通常以百萬像素〈megapixel〉為單位。數位相機規格中的多少百萬像素，指的就是CCD的解析度，也 代表著這台數位相機的 CCD 上有多少感光元件。 CCD 主要材質為矽晶半導體，基本原理類似 CASIO 計算機上的太陽能電池，透過光電效應，由感光元件表面感應來源光線，從而轉換成儲存電荷的能力。當 CCD 表面接受到快門開啟，鏡頭進來的光線照射時， 即會將光線的能量轉換成電荷，光線越強、電荷也就越多，這些電荷就成為判斷光線強弱大小的依據。CCD 元件上安排有通道線路，將這些電荷傳輸至放大解碼原件，就能還原 所有CCD上感光元件產生的訊號，並構成了一幅完整的畫面。

CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor)互補性氧化金屬半導體CMOS和CCD一樣同為在數位相機中可記錄光線變化的半導體 ，外觀上幾乎無分軒輊。但，CMOS的製造技術和CCD 不同，反而比較接近一般電腦晶片。CMOS 的材質主要是利用矽和鍺這兩種元素所做成的半導體，使其在CMOS上共存著帶N（帶 – 電） 和 P（帶 + 電）級的半導體，這兩個互補效應所產生的電流即可被處理晶片紀錄和解讀成影像。然而，CMOS因為在畫素的旁邊就放置了訊號放大器，導致其缺點容易出現雜點 ，特別是處理快速變化的影像時，由於電流變化過於頻繁而會產生過熱的現象，更使得雜訊難以抑制。

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。

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。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。

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：

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。
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。

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。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。
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。

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。

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