数码单反相机的图像传感器早年用CCD，如今大部分都CMOS化了。关于CCD和CMOS谁好谁差的问题，坛子里有许多争论。对于广大摄友来说，这是件好事。

俺作为一个EE和IT老民工，试着写这帖子，尽量用通俗的语言介绍这两种技术的大概其，各自的优缺点，以及发展的情况。

首先，图像传感器的功能就是把光能转换成电信号，数字化后形成数字图像。不管是以CCD技术还是以CMOS技术实现，都是完成这个功能。

CCD和CMOS这两个专业术语，并不是专指图像传感器（image sensor）的，而是两种半导体技术的通称。CCD（Charge Coupled Device）翻译成“电荷耦合器件”，CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）翻译成“互补金属氧化物半导体”。不管是CCD还是CMOS，实现光电转换的多是利用硅的特性在半导体上形成“光电二极管”（photodiode）。（当然也有CCD使用多晶硅polysilicon）。这和太阳能电池的原理是一样的。

CCD和CMOS技术大概都在60年代末、70年代初成型。发明CCD的初衷是为了进行数据存储。但是这一功能为后来的CMOS和磁介质所完全取代了。可是CCD并没有死亡，而是在影像记录方面大放异彩。从70年代开始，CCD就使用在录像机等产品中。80年代，CCD又开始被最早的数码相机所使用。而CCD传感器的许多影响画质的缺点也被逐一克服。30年来，CCD图像传感器已经完全成熟。

技术上来说，CCD是由感光阵列将光能信号转化为电荷，然后一行一行地将电荷“移送”到统一的电路上，转换为电压信号，送出传感器芯片，输出到独立的模数转换器ADC上。ADC再将转换好的数字图像信号交给相机的图像处理器。

CCD的优点主要是：传感器设计简单、灵敏度高、画质优秀、技术成熟。

但是CCD技术不是没有缺点的。大致总结来说，有这么几个问题：

1）最大的问题是生产成本。由于CCD不能使用主流的CMOS生产线，而生产量又不是那么大，因此生产成本无法大规模地降下来。

2）CCD传感器需要另外配合的ADC、放大器、以及其他支持模块才能使用。这样一来，一是增加了开发和制造成本；二是芯片外过多的模拟电路会引进噪声，进而影响图像质量；三是降低了相机的可靠性。

3）耗电。这个地球人都知道。不多说了。与耗电有关联的还有需要多个芯片外提供的参考电压。增加参考电压会增加系统的复杂性，降低可靠性，并且容易引进额外的噪声而影响画质。

4）读取速度。由于所有的电荷都要通过统一的电路转换并输出，因此CCD传感器的读取速度比较慢。当然新一代的CCD在这方面有改善，但是是以牺牲灵敏度为代价的。

5）CCD传感器固有的blooming现象。就是当光能比较强的时候，电荷会“溢出”而散布（spread）到附近的像素上。（俺估计过去索尼CCD的红色溢出问题就是这个没有处理好。）

6）CCD电荷衰减（fading）问题。由于CCD中获取的电荷是以耦合移位（这也是CCD这名字的来源）的方式一行一行输出的，因此在输出过程中，电荷会衰减。进而造成图像噪声。

这些大概就是CCD的弱点。虽然厂商以各种方式克服，但是问题并没有完全解决。

再来看看CMOS技术。今天的电脑技术之所以这么发展，归根到底，是因为半导体技术，特别是CMOS技术的进步造成的。我们用的CPU、内存、闪存还有其他许多器件，都是CMOS技术的。简单地说，CMOS的优点就是集成度高，生产成本低，省电。

表面上看，CMOS传感器和CCD传感器的构造很类似。感光阵列将光信号转换成电信号，然后通过CMOS电路输出。然而，有几个很大的不同：

1）CMOS在感光阵列的每个感光点上，都配置一个信号放大器和其他支持电路。这样做的好处是提高信号的※※※能力，坏处有两个：一是会形成“固定模式噪声”（Fixed Pattern Noise，FPN。待会儿还会谈到）；二是这些放大器和支持电路会占用光能接收面积，降低传感器的接收灵敏度。

2）现代的CMOS传感器将模数转换电路ADC和其他支持电路就集成在芯片内。降低了系统的开发难度和制造成本，提高了可靠性。

3）CMOS使用单电源，单参考电压。降低了耗电，提高了系统的可靠性，减少了外围电路所产生的噪声干扰。

简单来说，CMOS传感器有效地解决或者改善了上面提到的CCD的1-6点的缺点。当然其中最重要的，就是大大降低了生产成本。

那么，CMOS的缺点是什么？

CMOS有两个最大的缺点需要克服：

1）固定模式噪声FPN。前面说了，CMOS传感器中，每个感光点都有一个信号放大器和其他支持电路。但是在半导体的生产过程中，形成的各个放大器的增益和带宽都有差别，因此同样亮度的两个像点，最后形成的数值会有差别。从整幅图片来说，就会有一个“固定的噪声图片”。比如一幅18%灰度的图片，最后出来的亮度各处并不相同。

但是既然噪声的模式是“固定”的，就有办法解决。最有效的办法是所谓“双采样”（double sampling）。也就是在相机快门关闭后，先用10毫秒将图像读出，然后将传感器复位后，再用10毫秒第二次采样，得到一幅噪声图案。将原图像减去噪声图像，就可以有效消除固定模式噪声了。这种方式对于消除相机的固定模式噪声特别有效。当然如果是摄像机，那就要复杂一些了。

2）CMOS传感器的第二个大问题，是灵敏度不如CCD传感器。对于CCD来说，整个传感器的面积都可以用来接收光信号。受光率（fill factor）可以接近100%。但是对于CMOS传感器来说，由于感光阵列的每个像点上，都要留出一部分面积来做信号放大器和支持电路，所以光电二极管不能做大。受光率（好像无忌上常用“开口率”这个词汇）要大大小于100%。几年前，CMOS的受光率惨到只有20%多。这样，就会大大降低传感器的灵敏度。

解决CMOS传感器天生灵敏度低的办法有两个：第一是随着半导体技术的发展，CMOS的线宽越来越小，在同样面积上能做的电路也越来越多。或者说，同样的电路，需要的面积越来越小。这样留给感光电路的面积也就越来越大，比例越来越高。比如K20D宣布的时候，说到三星的这块14MP的CMOS的受光率（开口率），就已经达到70%了。随着CMOS技术的快速发展，受光率还会进一步提高；第二就是采用“微透镜”（Micro Lens），将一个像点上的光能都聚合到光敏二极管“开口”的位置。这个许多泡菜都知道的，就不多说了。

CCD技术已经完全成熟，CMOS技术还在进步中。就图像质量而言，今天两者已经不相上下。即使有些区别，和后端的图像处理器相比，也是微不足道了。

以上就是俺对图像传感器的粗浅的认识。欢迎讨论。

[老派 编辑于 2010-11-16 15:15]

[2010-11-16 15:34 补充如下]

上面写的太长了。总结一下：

CCD传感器经过30多年的发展，技术已经成熟。但是仍有三大问题需要解决：生产成本高、系统集成度差、耗电。

CMOS传感器可以解决CCD传感器的这三大问题。但是自己也有两大新问题：固定模式噪声、低灵敏度。其中固定模式噪声目前已有技术基本解决。而灵敏度的问题正在改善，还会继续改善。

[2015-03-14 15:58 补充如下]

从2010年写这个帖子，到现在，cmos传感器的最大进步，就是背照式技术的发展。

上面最后提到，和ccd传感器相比，cmos传感器的两个最大问题，是固定模式噪声和因为开口率或者受光率小而导致的灵敏度低。

随着背照式cmos传感器的发展，这两个问题都有根本性的解决了。

1）在非开口式CMOS中，在每个像素位置，需要占用一定的面积来用作处理电路，因此开口率达不到几乎100%的CCD。在背照式传感器中，像素背面的整个面积都可以用来做光敏二极管接受光线（所以叫“背照式”），因此开口率也和CCD传感器一样接近100%了。而CMOS传感器独有的信号处理电路放在像素正面的单独一层。也就是说，原来器件是一层，感光和信号处理都要占面积；背照式变成两层。一层感光，一层处理信号。

2）在非开口式的CMOS中，由于上述感光和信号处理都要占面积，因此为了提高开口率，尽量增加感光面积，所以信号处理单元就做得极其简化，以尽量减少信号处理电路的面积。有些甚至就只用一个三极管来做放大器。由于半导体工艺的特性，每个放大电路的一致性会比较差，因此形成固定模式噪声（FPN）。在背照式的情况下，每个像素的信号处理电路相对不受面积制约，因此可以做成比较复杂的放大器，比如负反馈放大器。这样，各像素间的一致性会大大改善。从而大大降低固定模式噪声。

3）新进发布的三星NX1是第一部使用背照式cmos传感器的大底（APSC）相机。从国外的初步报道来看，2800万象素的画质基本上和三星自己原来的2000万象素差不多。当然，还要等详细的评测看看比较。

油润色彩都不是根本差别，真正的差别是CCD出图栩栩如生很生动，传统的CMOS的鲜活感低下不少。

这是Sony说的。Sony为背照式CMOS为什么好，做了解释。Sony的背照式CMOS开口率第一次接近CCD。

不用onsemi。当时柯达技术人员有回我email。这就叫blooming。

文档里用的词是suppress，意思是“抑制”。没说能完全消除。尤其是类似点光源加长曝光时，就容易出现blooming。

和你较真是因为一直看不上你不懂装懂的态度。明白？

看看你自己的话：

本帖最后由 laopai 于 2017-3-11 10:08 编辑

别转移话题。就问一句，什么样的“高光溢出”会只往图像的单一方向（也是ccd的读出方向）溢出，而不会向其他方向溢出？

就请回答这问题。回答不出来，就是你自己扇自己大耳刮子。

“高光溢出”？能溢出到没光的地方？而且只往下方溢出，不往其他方向溢出？

你是在说笑话么？

知道suppress这词翻译成中文是什么么？还anti blooming？

打脸太多了？自己打自己的脸太多了吧？

好多年不打你的脸了，还是一如既往地扯蛋。

来，打个脸！

错误太多懒得一个个说
blooming是科研级别的CCD上才有的东西，民用的都有防溢出（再说你们这些从来不拍点光源的人真的见过blooming长啥样？）
感动家自古以来的ADC都是外置的
灵敏度的衡量标准是QE，不是开口率也不是脑残粉的嘴。目前使用相同电子技术的cmos和ccd在QE上无差别，RGB峰值基本上在80%甚至更高（以小幅面为主） 本帖最后由 ecloud天文摄影 于 2017-3-10 10:48 编辑

是的是的，看来是啊
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经常要拍摄各种工艺成品或者绘画，以前CCD拍摄时只要现场矫正一下白平衡，打好光，出来的照片基本不用调整，那时的机器肯定没有现在的功能强大吧，而且，成像画面亮堂、通透。现在的CMOS到好，高感是方便可是拍摄的东西就是不好看，灰、不透亮，张张要P，很麻烦，有时候CCD、CMOS同场拍后最终还是选了CCD的。而且，CMOS有一个极大的坏毛病，白平衡会随被拍摄画面色温变化，CCD就不会。

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最后一句没读懂是什么意思，或者说没明白你这句话的立足点在哪，能举例或者具体解释一下吗？

这个要看摄影人什么场景拍得多
像我，风格室外多，天气好的时候多
那就果断ＣＣＤ好片儿
因为我常用ＩＳＯ200以下，小光圈儿。

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本帖最后由 666nnn 于 2017-3-2 09:07 编辑

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数码不制作本身就是个伪命题，不知做连成像都无法完成。。。。。所以说，数码时代，留恋什么色彩，不如花点时间学学调色软件

啥叫“都是布置过的”？请明示。

这个我觉得意义不大，都是布置过的，我有一台k30一台爱普生rd1，用下来感觉很明显，大部分ccd出片要讨喜，coms后期方便些。感觉还是区别很大的。
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