图像传感器
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CCD图像传感器与背照式CMOS图像传感器在数码相机中的应用
张雯
摘要：综合对比讨论了CCD图像传感器与背照式CMOS图像传感器在数码相
机中的应用，并对背照式CMOS图像传感器将取代CCD图像传感器作出预测。
关键词：CCD图像传感器，背照式CMOS图像传感器
现代人类生活中，人们迫切需要获取信息，而人类获取的总信息量的80%以
上是通过视觉器官得到的。图像传感器作为现代视觉信息获取的一种基础器件，
因其能实现信息的获取、转换和视觉功能的扩展，能给出直观、真实、层次最多、
内容最丰富的可是图像信息，所以在现代社会中得到了越来越广泛的应用。本文
主要介绍CCD图像传感器与背照式CMOS图像传感器在数码相机中的应用与比较。
CCD是利用内光电效应由单个光敏元构成的光传感器。1970年由美国贝尔实
验室的W.S.Boyle和G.E.Smith提出，它集电荷存储、移位和输出为一体，应用
于成像技术、数据存储和信号处理电路等等。CCD作为固体成像器件最大的意义
在于，其像素的大小及排列固定，很少出现图像失真，而起他比传统的同类设备
体积小、质量轻、工作电压低、可靠性高、动态范围大、不需要强光照射。CCD
的光波范围从紫外区到红外区，发展至今，CCD图像传感技术已经相当成熟，CCD
器件在像素集成度、分辨力、灵敏度、工作速度等指标上一度处在领军位置。
CCD传感器的基本单元是MOS（Metal Oxide Semi-Conductor金属-氧化物-
半导体）电容器，一个MOS结构称为一个光敏元或一个像素。将MOS阵列加上输
入、输出结构就构成了CCD器件。CCD传感器每一行中每一个像素的电荷数据都
会依次传送到下一个像素中，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。CCD的传输方式决定了如果有一个像素的通道坏掉（CCD的像素有
专用的传输通道，即使CCD像素存在坏点，但只要通道完好，仍可继续传输），
传感器将无法继续工作。此外，CCD传感器需要外加电压来驱动每个像素中的电
荷移动，通常在12~18V，这样加大CCD的电源电路设计的难度。
CMOS是采用互补金属-氧化物-半导体工艺制作的图像传感器，其每个像素
都会邻接一个放大器和A/D转换电路，用类似内存电路的方式将数据输出。因为
CMOS每个像素都是单独工作的，即使有一个坏掉了，仍能继续工作，这点决定
了它的良率优势，这是决定成本的重要因素。CMOS传感器的图像采集采取主动
方式，感光二极管产生的电荷会直接由晶体管放大输出，这是它的节电优势。CMOS
传感器的每个像素有四个晶体管与一个感光二极管以及放大器和A/D转换电路
构成，使得每个像素的感光区域远小于像素本身的表面积，并且CMOS传感器上
每个感光二极管搭配的放大器很难保证所得到的结果是一致的，这使它的画质比
较低。
但为什么现在的趋势是CMOS逐渐取代CCD呢？那是因为在像素增加方面，
CMOS有着先天的优势，若要将像素增加100W，CCD传感器就要多出100W个像素
的通道，还要它们保证全部正常工作，而CMOS就不存在这样的困扰，可见CMOS
取代CCD只是制造工艺的问题。
随着科技的不断进步，背照式CMOS（Exmor R CMOS）的出现，更是弥补了
传统CMOS传感器在低光照度下的对焦能力和画质低的弱点。背照式CMOS传感器
的光电二极管位于影像传感器的最上层，把A/D转换器和放大电路放到了影像传
感器的背面，这样一来，通过微透镜和色彩滤镜进来的光线就可以最大限度地被
光电二极管利用，开口率得以大幅度提高，即使是小尺寸的影像传感器，也能获
得优良的高感光度能力。简单点说，由于中间没有阻隔，背照式CMOS传感器的
感光面离微透镜更近了，也就是说光线的入射角度和覆盖的面都能得到优化，感
光元件就有可能输出更为优秀的信号。背照式CMOS发布之后，让传统的数码相
机在画质上又有了一个崭新发展，尤其是在夜景拍摄、高感光度噪点控制方面，
是CCD所无法企及的。
为何看上去如此简单的改进是在传统CMOS传感器出现这么久才被制造出来
呢？其实科学家们大概在20年之前就想到了，只是因为结构调整后的背照式
CMOS传感器对电子器件的生产工艺和微处理技术的要求非常高，因为此技术要
求承载二极管的基板要非常薄，大概是传统正照式CMOS传感器基板厚度的1/100。
因此，芯片厂家在内功不够的时候勉强做背照式CMOS传感器必然会导致得不偿
失，可能会导致更多的噪点产生。
新型背照式CMOS传感器得益于电子器件的制作工艺进步。至少在两个方面
有提升，第一个是在传感器上的微透镜性能提升。经过微透镜后的光，入射到感
光面上的角度更接近垂直，而且微透镜产生的色散，眩光等不良效果会减弱，让
最终到达传感器感光面的光较传统的好。第二就是在大像素下依旧具有高速的处
理能力，这一点是对比CCD传感器而言的。CCD传感器是需要将各像素点的电荷
数据传输出来统一处理，所以在像素大的时候速度比较难提高，如果强行提高处
理的带宽就会造成噪点的增加。而CMOS传感器在每一个像素点上都已经将电荷
转化成了电压数据，在提高大像素帧率上有比较大的空间。
与普通CCD传感器相比，背照式CMOS传感器在高感光度下的控噪能力提升
的非常明显，但是背照式CMOS传感器的成像锐度比较低，即使在低感光度下也
比不过普通CCD传感器。很多相机在低感光度时的色彩还原度和饱和度都非常优
秀，然而随着感光度的提高，往往会出现严重的偏色或色彩饱和度大幅下降的情
况。普通CCD传感器在高感光度下虽然色彩还原度还可以，但锐度和色彩饱和度
下降得非常厉害，已经不存在多少实用价值。而背照式CMOS传感器在高感光度
下不仅色彩还原精准，饱和度也只是略微下降，只是成像锐度下降得比较明显，
但依然存在较高的实用价值。
与背照式CMOS传感器相比，普通的CCD传感器确实没有什么优势，不过，
靠锐度换来低光照下优秀的控噪能力还是可取的，毕竟很多时候我们并不需要很
高的分辨率，比如打印普通尺寸的照片或者放在电脑上浏览，这样的效果都足以
满足需求。虽然传感器是决定成像优秀与否的主要因素，但还会受镜头、图像处
理引擎等多方面因素影响，因此本文的对比结论并不能绝对的代表所有采用相应
传感器的数码相机。
参考文献
http://www.sina.com.cn 2010年08月31日CCD/Super CCD EXR/背照式CMOS
全解析
周旭.2007.1.现代传感器技术.北京.国防工业出版社
