透射电镜成像技术：电子成像中的传感器

学术 2024-11-18 18:01 北京

文章来源：卢克任工作室

原文作者：任辛

本文介绍了CCD传感器与CMOS传感器的相同之处与不同之处。

相对最早发展起来的模拟相机，数字相机也是一个很庞大的家族，早在20世纪70年代，相机里出现了以CMOS技术为核心的类型分支，诸多CMOS研究前辈发光发热，在人类的科学产品历史上留下了浓厚的一笔，带领人类探索了诸多未知领域。

但随着人类技术发展和深入研究，以往普通的CMOS相机已经没法满足人类日益多元化的性能需求，经过不断的探索和创造，内置能够协助人类持续研究和工业应用发展的科学级CMOS传感器，其具有高分辨率、高帧率、低噪声、大像素尺寸、高动态范围等特点的我——科学级CMOS相机，诞生了。

相信大家在刚开始了解有关专业相机产品的时候，经常能看到“CCD”和“CMOS”传感器的字眼，却不是特别了解它们之间的具体区别。而想要了解它们，就得先知道相机传感器是什么。

传感器

传感器是相机内部非常重要的组件之一，它能捕捉图像或视频信息，将通过相机镜头进入的光信号转换为电信号，并将其数字化，以便后续处理和存储，具有色彩感知、感光度控制、动态捕捉的光强度范围的特点。传感器的用途十分广泛，它大大提升我们的感知和测试能力，实现了现代社会的自动化，强力推动了科学研究和技术创新，对我们社会的进步产生了深远的影响。

说回前面的“CCD”和“CMOS”传感器，二者都是传感器，但它们又有什么异同呢？下面详细说明。

CCD：电荷耦合器件的英文单词缩写

CMOS：互补金属氧化物半导体的英文单词缩写

两者相同之处

1、两者都是半导体芯片，都是将光信号转换为电信号的图像传感器。

2、两者都可以用于科学研究、工业检测、安防监控等领域。

3、两者都是采用微纳技术手段，经高精尖工艺生产制造而成。

两者不同之处

1、两者的制造工艺不同。CCD传感器是基于硅片制造的，它们通过特殊的制造工艺在硅片上创建一个电荷转移通道。这种工艺涉及多个步骤，包括光刻、离子注入、化学气相沉积（CVD）、金属化等，来形成能够捕获光子并将它们转换成电荷的像素阵列。每个像素包含一个掺杂区域，它可以将光子转换成电子。

CMOS传感器使用标准的半导体制造工艺，这也是制造微处理器和其他类型的集成电路的工艺。它们通常更便宜，因为可以在一个硅片上集成更多的功能，包括放大器、模拟-数字转换器（ADC）以及信号处理电路，CMOS传感器的每个像素都有其自己的放大器，可以独立读取。

2、两者的读出方式不同。CCD传感器的读出方式是顺序的，电荷被传输到一个共同的读出节点，经常是通过多个传输阶段，电荷的传输类似于一个水桶接力，每个像素逐个传送其电荷到下一个像素，直至最终到达传感器边缘的读出放大器，这一过程是模拟的，并且速度相对较慢，但能提供高质量的图像，尤其是在噪声控制和信号一致性方面。

而CMOS传感器的读出方式是随机的或并行的，每个像素都配有自己的读出电路，这意味着每个像素可以被独立地读取和放大，这允许更快的读出速度，并且由于电路可以集成到传感器上，这也使得整个设备的功耗可以大大降低。

尽管早期的CMOS传感器在图像质量上与CCD传感器相比存在劣势，但现代CMOS传感器已经通过先进的设计和制造工艺实现了与CCD传感器相当甚至更高的图像质量。

3、两者的同等量级功耗不同。CCD传感器通常消耗的功率比CMOS传感器高，这是因为CCD的电荷转移过程需要更多的能量。

CMOS传感器由于其像素可以独立读取的特性，通常有更低的功耗。

4、两者对系统集成方面的要求不同。CCD系统需要外部的信号处理电路，因此整个摄像机系统可能需要更多的空间。

CMOS传感器可以在同一个芯片上集成信号放大器、模拟-数字转换等电路，从而使得摄像机系统更加紧凑。

看到这，大家是不是也发现了两者的发展方向是不一样的呢。总体而言，截至目前CMOS相机具有更高的集成度、更低的成本、更快的读出速度和更低的功耗，因此在科学研究、工业检测、安防监控等领域得到了广泛应用。而CCD相机则在某些高要求场合下具有更高的分辨率和更好的成像质量，因此在超低噪声静态成像、天文长曝光观测、人像摄影等领域仍然占据着一席之地。

在不同领域，CMOS相机和CCD相机蓬勃发展，各领一方。选择哪种相机需要根据具体应用场景和需求来决定，在日常科学研究和生产生活中，CMOS相机已能满足大多数场景下的应用需求，CCD相机则代表一类成熟相机产品在今后仍会存在。

END

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不代表中国科学院半导体所立场

编辑：猫薄荷

责编：木心

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