古籍扫描仪浅谈CCD及CMOS的区别和对比

 数字化成像设备中经常提到的成像元件CCD和CMOS，他们有什么区别呢，现在古籍扫描仪专家为您解答他们的区别！

CCD 英文全名 Charge Coupled Device，感光耦合元件，CCD为数位相机中可记录光线变化的半导体，通常以百万像素〈megapixel〉为单位。数位相机规格中的多少百万像素，指的就是CCD的解析度，也代表着这台数位相机的 CCD 上有多少感光元件。
CCD 主要材质为硅晶半导体，基本原理类似 CASIO 计算机上的太阳能电池，透过光电效应，由感光元件表面感应来源光线，从而转换成储存电荷的能力。简单的说，当 CCD 表面接受到快门开启，镜头进来的光线照射时， 即会将光线的能量转换成电荷，光线越强、电荷也就越多，这些电荷就成为判断光线强弱大小的依据。CCD 元件上安排有通道线路，将这些电荷传输至放大解码原件，就能还原 所有CCD上感光元件产生的讯号，并构成了一幅完整的画面。此一特性，使得 CCD 通用在数位相机〈Digital Camera〉与扫瞄器〈Scanner〉上，作为目前最大宗之感光元件来源。
ＣＭＯＳ 英文全名 Complementary Metal-Oxide Semiconductor，互补性氧化金属半导体，CMOS和CCD一样同为在数码相机中可记录光线变化的半导体 ，外观上几乎无分轩轾。但，CMOS的製造技术和CCD 不同，反而比较接近一般电脑晶片。CMOS的材质主要是利用硅和锗这两种元素所做成的半导体，使其在CMOS上共存着带N（带 – 电） 和 P（带 + 电）级的半导体，这两个互补效应所产生的电流即可被处理晶片纪录和解读成影像。然而，CMOS因为在画素的旁边就放置了讯号放大器，导致其缺点容易出现杂点 ，特别是处理快速变化的影像时，由于电流变化过于频繁而会产生过热的现象，更使得杂讯难以抑制。
CCD和CMOS相机的成像特点对比：
CCD
采用CCD的数码单反，图像饱和度较高，图像较为锐利，质感更加真实，尤其是在低感光度下，成像有良好的表现。但是，从目前数码单反的表现来看，CCD的噪点随着感光度的升高而增加较快，高感光度下的噪点控制并不是CCD传感器的强项也就是说，CCD传感器的优势表现在低感光度下，这时候能充分发挥CCD传感器的优势，比如色彩鲜艳，图像质感鲜活等等。CCD的另一个特点是，它的表面更容易形成静电场，所以比更容易吸附灰尘。所以，对于采用CCD传感器的数码单反来说，你可能需要更注意防尘。目前，在市场上主流的数码单反中，采用CCD传感器的数码单反包括尼康D40/D40X，D60，D80，D200，索尼a100/200/300/350，
CMOS
CMOS的特性在某些程度上跟CCD完全相反。CMOS传感器在低感光度下的成像也非常干净，但是，采用CMOS传感器的数码单反成像看上去偏灰（在不调整的情况下），色彩饱和度较低，质感和锐度的表现也要稍逊一筹。但是，目前大多数CMOS具备硬件降噪机制，所以噪点随着感光度的升高增加较慢，所以，在高感光度下，CMOS传感器表现反而好过CCD传感器。佳能的全系列数码单反均采用CMOS传感器，这也是佳能的数码单反在高感光度下表现较好的一个原因。而尼康D300、D700、D3，索尼a700、宾得K20D、三星GX-20等采用CMOS传感器的数码单反在高感光度下也有较好的表现。CMOS的另一个优点是数据读取速度快，因此那些连拍速度较快的数码单反都清一色采用CMOS传感器。另外，CMOS相对CCD的功耗较低，除了省电以外，也相对较不容易吸附灰尘。
CMOS 对抗 CCD的优势在于成本低，耗电需求少, 便于制造, 可以与影像处理电路同处于一个晶片上。但由于上述的缺点，CMOS 只能在经济型的数位相机市场中生存。 不过，新一代 『Fill Factor CMOS』 成为解决这个难题的救星，Fill factor CMOS 属于此型感测器中最先进的製程技术。最大的差别在于提高 Fill Factor（单一画素中可吸收光的面积对整个画素的比例），有效做到提升敏感度、放大CMOS面积（全画幅）和降低杂讯的影响。再将 Fill Factor CMOS 与 CCD 感光器比较发现，CCD 受限于良率和结构製程，面积越小，画素越高，相对成本也就越低；Fill Factor CMOS 刚好相反，由于感光开口加大，FF CMOS 可以挑战更高画素，更大面积（全画幅），甚至就产出比例来说，FF CMOS 单一晶圆的附加价值更大。
由于 Fill Factor CMOS 技术的特殊性，自身拥有晶圆生产设备的Canon 可以说是最早体悟到 Fill Factor CMOS 的市场潜力。Canon EOS D30 是该公司最早选择以 FF CMOS当感光元件数位 DSLR 产品，低廉的价格颇受消费者支持。虽然，EOS D30的画质表现普通，不过，后续的研究整合了完整的图像处理引擎等，更高速且尖端的影像技术，今日，採用大画素、全片幅之 Fill Factor CMOS 已经成为主流，高阶旗舰级全片幅数位机身包括：Canon 1DsMarkII、Kodak DCS Pro/c 也全面採用 Fill factor CMOS。
比较 CCD 和 CMOS 的结构，放大器的位置和数量是最大的不同之处,简单地解释：CCD 每曝光一次，自快门关闭或是内部时脉自动断线（电子快门）后，即进行画素转移处理，将每一行中每一个画素（pixel）的电荷信号依序传入『缓冲器（电荷储存器）』中，由底端的线路导引输出至 CCD 旁的放大器进行放大，再串联 ADC（类比数位资料转换器） 输出；相对地，CMOS 的设计中每个画素旁就直接连着『放大器』，光电讯号可直接放大再经由 BUS 通路移动至 ADC 中转换成数位资料。
CCD 与 CMOS 感光元件之优缺点比较.

由于构造上的基本差异，我们可以看出CCD和CMOS在性能上的不同：
CCD的特色在于充分保持信号在传输时不失真（专属通道设计），透过每一个画素集合至单一放大器上再做统一处理，可以保持资料的完整性；CMOS的制程较简单，没有专属通道的设计，因此必须先行放大再整合各个画素的资料。
整体来说，CCD 与 CMOS 两种设计的应用，反应在成像效果上，形成包括 ISO 感光度、製造成本、解析度、杂讯与耗电量等，不同类型的差异对比如下：
ISO感光度差异：由于 CMOS 每个画素包含了放大器与A/D转换电路，过多的额外设备压缩单一画素的感光区域的表面积，因此在 相同画素下，同样大小之感光器尺寸，CMOS的感光度会低于CCD。
成本差异：CMOS 应用半导体工业常用的 MOS制程，可以一次整合全部周边设施于单晶片中，节省加工晶片所需负担的成本 和良率的损失；相对地 CCD 採用电荷传递的方式输出资讯，必须另闢传输通道，如果通道中有一个画素故障（Fail），就会导致一整排的讯号壅塞，无法传递，因此CCD的良率比CMOS低，加上另闢传输通道和外加 ADC 等周边，CCD的製造成本相对高于CMOS。
解析度差异：在第一点『感光度差异』中，由于 CMOS 每个画素的结构比 CCD 複杂，其感光开口不及CCD大，相对比较相同尺寸的CCD与CMOS感光器时，CCD感光器的解析度通常会优于CMOS。不过，如果跳脱尺寸限制，目前业界的CMOS 感光原件已经可达到1400万 画素 / 全片幅的设计，CMOS 技术在量率上的优势可以克服大尺寸感光原件製造上的困难，特别是全片幅 24mm-by-36mm 这样的大小。
杂讯差异：由于CMOS每个感光二极体旁都搭配一个 ADC 放大器，如果以百万画素计，那麽就需要百万个以上的 ADC 放大器，虽然是统一製造下的产品，但是每个放大器或多或少都有些微的差异存在，很难达到放大同步的效果，对比单一个放大器的CCD，CMOS最终计算出的杂讯就比较多。
耗电量差异：CMOS的影像电荷驱动方式为主动式，感光二极体所产生的电荷会直接由旁边的电晶体做放大输出；但CCD却为被动式，必须外加电压让每个画素中的电荷移动至传输通道。而这外加电压通常需要12伏特（V）以上的水平，因此 CCD 还必须要有更精密的电源线路设计和耐压强度，高驱动电压使 CCD 的电量远高于CMOS。
尽管 CCD 在影像品质等各方面均优于CMOS，但不可否认的CMOS具有低成本、低耗电以及高整合度的特性。由于数位影像的需求热烈，CMOS的低成本和稳定供货，成为厂商的最爱，也因此其製造技术不断地改良更新，使得 CCD 与 CMOS 两者的差异逐渐缩小 。