甚麼是CCD? 甚麼是CMOS??

CCD 英文全名 Charge Coupled Device，感光耦合元件

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。簡單的說，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。此一特性，使得 CCD 通用在數位相機〈Digital Camera〉與掃瞄器〈Scanner〉上，作為目前最大宗之感光元件來源。

CMOS英文全名 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。

CCD與CMOS感測器是當前被普遍採用的兩種圖像感測器，兩者都是利用感光二極體(photodiode)進行光電轉換，將圖像轉換為數位資料，而其主要差異是數位資料傳送的方式不同。

　　CCD感測器中每一行中每一個象素的電荷資料都會依次傳送到下一個象素中，由最底端部分輸出，再經由感測器邊緣的放大器進行放大輸出；而在CMOS感測器中，每個象素都會鄰接一個放大器及A/D轉換電路，用類似記憶體電路的方式將資料輸出。

　　造成這種差異的原因在於：CCD的特殊工藝可保證資料在傳送時不會失真，因此各個象素的資料可彙聚至邊緣再進行放大處理；而CMOS工藝的資料在傳送距離較長時會產生雜訊，因此，必須先放大，再整合各個象素的資料。

　　由於資料傳送方式不同，因此CCD與CMOS感測器在效能與應用上也有諸多差異，這些差異包括：

1. 靈敏度差異：由於CMOS感測器的每個象素由四個電晶體與一個感光二極體構成(含放大器與A/D轉換電路)，使得每個象素的感光區域遠小於象素本身的表面積，因此在象素尺寸相同的情況下，CMOS感測器的靈敏度要低於CCD感測器。

2. 成本差異：由於CMOS感測器採用一般半導體電路最常用的CMOS工藝，可以輕易地將周邊電路(如AGC、CDS、Timing generator、或DSP等)集成到感測器晶片中，因此可以節省週邊晶片的成本；除此之外，由於CCD採用電荷傳遞的方式傳送資料，只要其中有一個象素不能運行，就會導致一整排的資料不能傳送，因此控制CCD感測器的成品率比CMOS感測器困難許多，即使有經驗的廠商也很難在產品問世的半年內突破50%的水準，因此，CCD感測器的成本會高於CMOS感測器。

3. 解析度差異： 如上所述，CMOS感測器的每個象素都比CCD感測器複雜，其象素尺寸很難達到CCD感測器的水準，因此，當我們比較相同尺寸的CCD與CMOS感測器時，CCD感測器的解析度通常會優於CMOS感測器的水準。

4. 雜訊差異：由於CMOS感測器的每個感光二極體都需搭配一個放大器，而放大器屬於類比電路，很難讓每個放大器所得到的結果保持一致，因此與只有一個放大器放在晶片邊緣的CCD感測器相比，CMOS感測器的雜訊就會增加很多，影響圖像品質。

5. 功耗差異：CMOS感測器的圖像採集方式為主動式，感光二極體所產生的電荷會直接由電晶體放大輸出，但CCD感測器為被動式採集，需外加電壓讓每個象素中的電荷移動，而此外加電壓通常需要達到12~18V；因此，CCD感測器除了在電源管理電路設計上的難度更高之外(需外加 power IC)，高驅動電壓更使其功耗遠高於CMOS感測器的水準。

綜上所述，CCD感測器在靈敏度、解析度、雜訊控制等方面都優於CMOS感測器，而CMOS感測器則具有低成本、低功耗、以及高整合度的特點。

何謂CCD？
CCD 顧名思義就是監視用的攝影機,它不是V8也不是Hi 8更不是照相機,CCD 是電荷耦合元件 (Charge Coupled Device) 的簡寫，是目前以固態影像元件應用在攝影機最尖端的技術。 這是1969年由美國的貝爾研究室所開發出來的，同年12月，日本的新力 (SONY) 公司也開始研究 CCD。

如果您常聽到如:電眼,監視器,攝影機,CCD,CCTV,卡麥拉,針孔攝影機等,並不是所有都是使用CCD有些是使用CMOS(complementary Metal Oxide semi conductor)

監視攝影機之構造大致由:鏡頭( )攝像元件( ),影像處理( ),電源電路( )所組成。

這四大部分個個關係到攝影機的品質(顏色,照度,解析度等),電源電路更關係到攝影機的壽命,前三項如有問題也許會造成畫質變差影像模糊,但還有影像。如果電源電路短路（進水或是高低溫）,CCD 就掛調了。這片電源電路看似簡單(其實也不會很難)但是就是有人忽略了它,造成了產品較高的故障率。也許就那麼小小的一顆二極體或限流電阻或穩壓IC等燒燬,維修並不會很困難,但顧客有辦法自己解決嗎?。

監視攝影機另一值得一提的組成零件,就是“攝像元件”(SENSOR CHIP)因為它決定了攝影機體積的大小,也決定了整支攝影機百分之80的影像品質。其依製程方式不同可分為以下三類:

1.TUBE 早期之攝像元件,類似真空管體積龐大,耗電,易發熱為其缺點。

2.CCD IC之形態,體積小(1公分*1公分),省電,照度,解析度,耐用度等各方面皆有不錯之表現。20年前誕生至今已完全取代TUBE (百分之99的V8及數位像機皆由其構成) ,亦為現今監視攝影機之主流元件。

3.CMOS IC之形態體積同CCD一般 但其小小的體積之內卻包括幾乎所有的電子電路,只須加上鏡頭和幾個電阻電容即構成一台攝影機,整體體積比CCD更小也更省電,不過其技術至今並不成熟,低照度,解析度等各方面效果皆不如CCD。其大部分皆用於掃瞄器或對於影像品質不很要求的拋棄式攝影機。

1972年是SONY中央研究所(以下簡稱中研所)創立10周年，第二年的一月中研 所的研究發表會， 會中展出以96個圖素並以線性感知的二次元影像感測器〝8H*8V (64圖素) FT方式三相CCD〞。
發表會中用FT方式CCD，將SONY的“S”影像顯示在示波器上，但因轉換效率不良及電路系統的不成熟， 很遺憾的失敗了。最後費了九牛二虎之力 ，卻只能顯示的字型，而產生了不知如何向參加者說明的尷尬場面。
1973年11月開始進行固態影像元件的開發計劃，這是以SONY半導體技術為主的計劃。
1974年 CCD 的發展有大幅進展，6月32H*64V 的 FT 方式 CCD 用彩色影像研究成功，圖素也增加了。 影像感測器 (Image Sensor) 使用的可能性更大為增加。
1976年7月製造出水平圖素為142的單晶片彩色攝影機的 CCD(編號為:ZCX005) 圖素配置是採用所謂市松模式(補償器)，為縱方向的帶狀RB方式作配置。
同年8月完成整體攝影機開發，並可照出影像。最初照出的是影視紅星，於旁放置散熱用的扇子，沒想到扇子的扇骨由於反射作用而將垂直排列的 CCD產生的缺陷掩蓋住，使得實驗非常成功，在畫面上便很清楚的映出笑容 滿面的主角。
為了再證實上面所顯示的效果，1977年更開發了垂直圖素方式的彩色攝影機 (編號為 SCX-20/21)，這是緊跟著 RCA 公司之後所發表的。
以高開發技術發展CCD
1978年3月中研所在報上發表了使用11萬個圖素的IT方式 CCD (3個單晶片編號SCX-24C)，但這種 CCD 由於暗電流大，取像時溫度一升高，暗電流馬上就增加，使得影像的效果很差。為了避免發生畫質不良，在當時均外加冷卻效果以防止畫質劣化。

CMOS 與 CCD 鏡頭有咩分別:
目前在電子相機應用的光電轉換器主要有兩種：電荷耦合器（Charge Couple Device, CCD）及互補性金屬氧化物半導體（Complementary Metal Oxide Semiconductor, CMOS）光電感測器晶片。CCD是使用MOS技術的半導體元件，簡單地說，CCD是由大量獨立的光敏半導體組成，這些光敏元件通常是以直線或按矩陣（matrix）的形狀排列的。每一個光敏元件代表圖象中的一個單元。光線透過鏡頭照射到這些光敏元件上，便會被轉換成電荷，每個元件上產生的電荷量取決於它所受到的光照強度。由於CCD是相應於

2006-11-10 22:33:00 補充：
入射光的強度而反應的，所以CCD可產生灰階的矩陣影像。 目前主要有兩種類型的CCD光敏元件，分別是線性CCD和矩陣式CCD。線性CCD每次只能拍攝圖象的一條線；也有一些型號是可以一次拍攝三數條線的。這種CCD解像度高但速度慢，也無法用來拍攝移動的物體，或配合閃光燈的使用，所以不應用於數碼相機。但這種CCD卻適合在平台式掃描器上使用，或應用於高解像度的靜態攝影例如三維掃描等的場合。

2006-11-10 22:33:33 補充：
另一種是矩陣式CCD，當快門打開時，整個圖象一次過同時曝光。通常矩陣式CCD處理色彩的方法是將一矩陣的彩色濾鏡嵌在CCD矩陣的表面，相近的光敏元件都會用上不同顏色的濾鏡，一般的是以RGB方式交叉排列。在記錄照片的過程中，相機內部的微電腦會將相鄰的四個或以上的光敏元件的訊號合成為一個圖素的訊號。矩陣式CCD適合瞬間曝光，但微處理器需能快速地運算。這種CCD最大的缺陷是所產生的圖象放大後比較模糊。

2006-11-10 22:34:54 補充：
CMOS光電感測器晶片和CCD一樣都可以用來測量光照強度的變化。CMOS光電感測器晶片與CCD感測器的圖象掃描方法有很大的差別。CMOS感測器的結構不同，在每個單元都有晶體管可將光照轉化來的電子訊號的放大。因此，CMOS感測器可以在每個單元的基礎上進行訊號放大。CMOS光電感測器的耗電量較低，靜態時幾乎沒有電消耗，只在拍照時電路接通才有電消耗。所以CMOS的耗電量只有普通CCD的1/3左右。CMOS光電感測器優勝的地方除了省電外就是廉價，而且有關的圖象處理電路可以在同一塊的晶片上製作。

2006-11-10 22:35:15 補充：
CMOS光電感測器的晶片可以附加一些圖象的處理電路例如防手震、局部性放大、圖邊搜索等，而CCD感測器就不可以。CMOS感測器的缺點就是動作比CCD感測器慢及易受附近電路的噪音所困擾。CMOS在處理快速變化的影像時，由於電流變化過於頻繁而過熱。導至信噪比下降，若暗電流抑制得不好時在相片上會出現雜點。亦因為信噪比低，CMOS光電感測器在光線不足的環境的表現會較CCD感測器為差。使用CMOS光電感測器的單鏡反光機有CANON 的EOS D30，D60等。

2006-11-10 22:35:36 補充：
2.目前感光元件分為CCD和CMOS兩大主要產品，CCD的解像能力比較強，因此高階相機多是使用CCD，不過全球CCD主要是由Sony、Sharp、Panasonic、Fujifilm等日系廠商生產，Sony後來成功開發Super CCD，讓感光元件體積大幅縮小，而越高階數位相機需要更大的感光元件，Super CCD的推出可讓高階數位相機不至於過度笨重。而CMOS雖然解像力不如CCD，但是有越來越多的數位相機生產商願意改用，主要的原因包括CMOS和DRAM 製程十分類似，是用半導體設備生產，對於DSC生產廠商而言，CMOS報價具有相當的吸引力。

2006-11-10 22:36:00 補充：
在專業用的數碼機背，只有一部Leaf 的C-Most用CMOS作感光元件，其餘的都是用CCD，這是由於CCD的解像能力比較強。不過CCD的耗電較大，因而發熱量也大，Noise自然容易產生，冷凍的系統自然少不了，而且大面積CCD生產成本很高，所以使用CCD的專業用的數碼機背價錢都很貴，十多萬到二十多萬不等。以前CMOS只是用在平價機上，但隨著技術發展成熟，CMOS的質素已提昇到專業要求，而且可以生產更大面積價錢更便宜的專業數碼相機。例子有Canon 1D是用CCD，而新Canon 1Ds則改用CMOS，

2006-11-10 22:36:58 補充：
Kodak 的1千6百萬像素的Pro-Back是用CCD，而Pro-14n則使用CMOS，數碼機背Leaf Cantare是用CCD，而Leaf C-Most則用CMOS。可見CMOS已經被專業界接受，質素已是無可置疑。至於CCD和CMOS有多大差異，大家請放心，一般是看不出來。