CMOS與CCD的差異是什麼？解密影像處理的兩大巨頭

在數位攝影與影像處理領域，CMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，互補金屬氧化物半導體）與CCD（Charge-Coupled Device，電荷耦合元件）是兩種主要的影像感測技術。它們都用於將光轉換為數位信號，但在工作原理、性能特性及應用場景上有顯著的差異。 本篇文章就來介紹影像處理的兩大核心產品，CMOS與CCD到底為何?

CMOS與CCD 的基本原理

CMOS-互補金屬氧化物半導體

CMOS感測器的每個像素內部都包含一組光電二極體與放大電路，使得光信號可直接在像素層進行處理，並透過標準半導體製程來製造。這使 CMOS 感測器能夠以低功耗、高速讀取的方式運作。

1.低功耗：因為每個像素都能獨立處理訊號，讀取時不需要逐行轉移電荷，能有效降低功耗。
2.高速處理：可同時讀取多個像素，適合高速攝影與即時影像處理。
3.成本較低：與一般半導體製程相容，製造成本較CCD低。
4.雜訊較高：因為每個像素內部有放大電路，容易產生固定圖樣雜訊。
5.感光效率略低：像素內的讀取電路會佔據部分感光區域，導致填充率較低。

CCD-電荷耦合元件

CCD感測器的像素陣列中沒有內建放大電路，而是透過電荷轉移的方式，將每個像素所累積的電荷逐行轉移至感測區，最後由放大器統一讀取輸出。這種方式確保了較低的訊號干擾，從而獲得更高品質的影像。

1.影像品質較高：因為所有像素的訊號由統一放大器處理，影像的均勻性與訊噪比表現較好。
2.感光效率較高：沒有像CMOS那樣的內建電路阻擋入射光，因此感光區域利用率更高。
3.功耗較高：電荷逐行轉移的方式會消耗較多能量，尤其在高解析度感測器上更為明顯。
4.讀取速度較慢：因為電荷必須逐行傳輸到輸出端，導致讀取速度無法像CMOS那樣快速。

各方面的比較

以下是CMOS與CCD各方面的比較：

CMOS與CCD的應用場景

CMOS感測器因其低功耗、高速讀取與成本低廉的特性，廣泛應用於智慧型手機、網路攝影機（如監視攝影機、行車記錄器）、消費型數位相機、無人機與運動攝影機（如GoPro）、車用影像感測（如自動駕駛車輛的攝影機）。

CCD感測器因其高影像品質、低雜訊、高靈敏度的優勢，仍然在以下領域佔有一席之地，天文攝影（如哈伯太空望遠鏡）、醫學影像（如X光感測器）、工業檢測（如精密測量設備）、專業攝影（如高端數位相機、電影攝影機）。

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CMOS的製造原理

CMOS影像感測器的製造工藝與標準的CMOS半導體製程（如邏輯晶片、微處理器等）相同，主要使用 平面製程和光刻技術來製造晶片。

CMOS感測器的每個像素內包含：

• 光電二極體（Photodiode）：負責感應光線並產生電荷。
• 放大電路（Amplifier）：每個像素內都有獨立的放大電路，可立即將電荷轉換為電壓信號。
• 讀出電路（Readout Circuit）：由 MOS 晶體管組成，負責控制訊號讀取。
• 類比數位轉換器（ADC, Analog-to-Digital Converter）：將光信號轉換為數位信號，通常整合在晶片內。

CMOS的像素設計 通常是「主動像素感測器（Active Pixel Sensor, APS）」，即 每個像素內都有主動元件，可以獨立讀取數據，因此能夠高速讀取並降低功耗。

CMOS製造步驟

1.矽基板準備（Wafer Preparation）: 使用高純度矽晶圓（通常是8吋或12吋）。

2.光刻（Photolithography）:利用曝光技術刻蝕出感測器電路。

3.離子佈植（Ion Implantation）:透過摻雜技術控制電荷傳導區域，如P型與N型區域。

4.金屬佈線（Metallization）:建立CMOS電路，包括讀取電路與數位訊號處理。

5.感測區與微透鏡（Microlens）:加入微透鏡以提升光線收集效率（背照式CMOS BSI技術）。

6.封裝（Packaging）:最後晶圓切割並封裝成感測模組。

CMOS受惠於標準半導體製程的演進，現在已發展出諸如以下技術：

• 背照式感測器（BSI, Backside Illumination）：提升感光效率。
• 堆疊式CMOS（Stacked CMOS）：減少訊號干擾，提高影像品質。
• 全局快門CMOS（Global Shutter CMOS）：改善動態影像的果凍效應。

CCD的製造原理

CCD影像感測器的製造工藝與標準CMOS製程不同，CCD需要專門的製造技術，主要是高品質矽來提升感光能力。

CMOS與 CCD感測器在影像成像原理、光學需求及感光特性上有所不同，因此在搭配鏡頭模組時，也會影響到鏡頭的選擇。主要影響的因素包括 感測器結構、感光能力、雜訊處理、影像需求等。

CCD由一系列的光感測像素陣列與電荷傳輸通道組成，其結構包括：

• 感光區（Photosensitive Area）：使用PN接面將光子轉換為電荷。
• 電荷耦合通道（Charge Transfer Channel）：透過「電壓控制」將電荷逐步傳輸到讀出端。
• 輸出放大器（Output Amplifier）：將最後累積的電荷轉換為影像訊號。

不同於CMOS，CCD沒有單獨的像素放大器，而是透過「逐行轉移」的方式集中讀取，因此影像品質較為純淨。

CCD製造步驟

1.矽基板準備（Wafer Preparation）:使用高品質矽晶圓，通常比 CMOS 的純度更高。

2.光刻與摻雜（Photolithography & Doping）:形成感光區與電荷傳輸通道。

3.氧化與介電層（Oxidation & Dielectric Layer）:建立高效電荷轉移的絕緣層，以降低暗電流。

4.電極沉積（Electrode Deposition）:製作電荷傳輸的控制閘。

5.輸出放大區（Output Node）:建立統一的訊號讀取機制，減少雜訊。

6.封裝與抗反射塗層（Packaging & AR Coating）:採用抗反射鍍膜，以提升光利用率。

CCD的製造技術則已經有下列發展 :

• 全幀轉移CCD（Full-Frame CCD）：用於天文攝影，具有最高畫質。
• 交疊轉移CCD（Interline CCD）：有較快的影像讀取速度，適合高階攝影機。
• 背照式CCD（Back-Illuminated CCD, BI-CCD）：提升光敏感度，應用於科學攝影。

CMOS與CCD搭配鏡頭模組時的選擇差異

感光特性與鏡頭選擇

CMOS感測器填充率較低（因為每個像素內建放大電路，占據一部分感光區）。因此對鏡頭的光學設計要求較高，需要以下 :

• 高透光率（F 值低的鏡頭）來補償較低的感光能力。
• 廣角鏡頭（小於 50mm）常用於手機與監視攝影。
• 適合搭配非球面鏡片，以減少像差。

CCD則因填充率較高，感光能力強，低光環境下表現較好。可搭配較高 F 值的鏡頭（F2.8 – F4 以上），因為感測器本身對光線較敏感。多用於長焦與高精度鏡頭，如：天文攝影（需高品質長焦鏡頭）、醫療影像（需高解析度鏡頭）。

光譜響應與鏡頭鍍膜

不同的感測器對光譜的敏感度不同，會影響鏡頭鍍膜的選用，

• CMOS對紅外線（IR）較敏感，因此 通常搭配IR Cut濾光片，避免影像偏色。
• CCD對紫外光（UV）與藍光較敏感，需搭配抗UV鍍膜的鏡頭，減少色偏。
• 監視攝影機的CMOS鏡頭模組多有IR Cut濾片，避免夜間影像偏紅。
• 科學攝影（如顯微鏡成像）則可能使用全光譜鏡頭，配合CCD的靈敏特性。

解析度與鏡頭選擇

現代CMOS感測器解析度越來越高（如 4K、8K 甚至更高），這對鏡頭解析度要求更嚴格，高解析度CMOS（如48MP、100MP）需要高MTF鏡頭，確保畫質不會因鏡頭解析力不足而受限。而CCD一般解析度較低，但感光性能強，適合低光環境下的高品質影像，例如 夜視攝影、天文攝影。

解析度與鏡頭匹配示例 :

快門方式與鏡頭應用

CCD感測器多為全球快門（Global Shutter），即所有像素同步曝光，因此適合用於高速攝影、工業檢測，不會出現果凍效應。

CMOS感測器多為捲動快門（Rolling Shutter），容易在高速移動時產生變形，因此需要搭配快門速度快的鏡頭或使用全局快門CMOS。

CMOS與CCD的鏡頭選擇確實有差異，關鍵影響因素包括：感光效率、解析度、快門方式、應用場景等等。綜合來說，

1. CMOS需要較低 F 值、高透光率的鏡頭，特別適用於高速影像處理與消費型市場。
2. CCD由於感光效率較高，適合較高F值的高品質鏡頭，適用於專業攝影、醫學影像及天文攝影。
3. 高解析度CMOS（如 100MP）需要高MTF光學鏡頭，避免影像模糊或解析度不足的問題。

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