CCD vs CMOS：感測器技術評論
影像感測器是影像擷取的核心，透過監視系統保護我們珍貴的回憶和財產。幾十年來，影像感測技術的競爭，充斥著關於CCD感測器和互補金屬氧化物半導體（CMOS）感測器的討論，通常稱為「CCD vs CMOS」，一直是一個重要的話題。
本指南旨在比較這兩種技術的歷史、優勢，以及目前和未來的應用
在整個指南中，我們將獲得我們的創始人，Bill Wang 博士（博士學位），的一些見解。
簡介：CCD vs CMOS 辯論摘要
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CCD和CMOS感測器均利用光電效應來捕捉光線。從歷史上看，CCD在產生更高質量的影像並減少噪點方面表現較優，而CMOS在功耗效率上則更為優越。
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現代CMOS技術已經大幅進化，提供成本優勢、低功耗和更快的信號處理能力，使其在各種應用中被廣泛使用。
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最近CMOS感測器技術的改進使其在影像質量上與CCD相媲美，使其成為在成本/能源效率以及高速影像應用方面更受青睞的選擇。
理解 CCD vs CMOS：基礎知識
在本質上，CCD和CMOS都利用光電效應將光轉換為電信號。儘管這些技術有著相同的目標，但它們在捕捉、量化和重現影像的方法上有著顯著的差異。由於其較厚的表面層，CCD感測器傾向於產生質量較高且噪音較少的影像，使其更適合於需要卓越影像質量和低噪音的應用，例如1990年代之前的天文學和天文攝影。
然而，由於功耗較低，許多太空任務已經逐步淘汰了CCD感測器，轉而使用CMOS。實際上，美國國家航空航天局（NASA）的噴射推進實驗室（JPL）團隊在1990年代為了將相機尺寸縮小到行星間太空船上的需要，開發了他們自己的主動像素（APS）CMOS影像感測器。這項發明使其所需的能量消耗比CCD系統低100倍 [影像感測器增強相機技術 | NASA Spinoff]。
此外，CMOS對紅外波長的敏感性更高，且功耗更低，使其在機器視覺系統和其他需要快速處理的應用中越來越受歡迎。
CCD vs CMOS 的主要差異在於它們生成影像的方法。CMOS晶片在每個像素中都包含了一個放大器（這也是它們被稱為主動像素的原因），而CCD感應器則沒有（這也是它們被稱為被動像素的原因）。這兩種技術之間的根本差異導致了各種應用和影像領域的進一步發展。
電荷耦合元件（CCD感測器）技術
CCD感測器是類比設備，採用電荷轉移過程來擷取影像。每個CCD感測器中的像素包含光電二極體和電位井，作為光電子的容器。影像擷取的速度受限於將光電子轉換為信號（電壓）的單一端口。
儘管有此限制，CCD以生產高質量、低噪音的影像而聞名，這使其在技術進步之前成為各種應用中的熱門選擇，包括機器視覺和嵌入式視覺系統，在此之後CMOS逐漸追趕上來。
互補金屬氧化物半導體（CMOS感測器）技術
與CCD感測器相比，CMOS感測器在每個像素中都集成了一個放大器，這導致較低的能量消耗和更快的信號處理。然而，電路中額外的放大器和模數轉換器（ADC）會在輸出影像中產生更多噪點。
儘管有這個缺點，由於在製造方面的成本效益和適用於全球最常見的影像感測器應用——移動裝置，CMOS感測器已經普遍受到歡迎。隨著CMOS技術的持續進步，其感測器在各種影像應用中的重要性也將不斷增加。
此外，CMOS技術還提供了在晶片上進行電子元件的單片集成，從而降低成本的可能性。
當被問及為什麼在創辦微像科技股份有限公司時選擇CMOS而不是CCD時，Bill Wang 博士回答說:「因為CMOS比CCD更加整合。透過CMOS，我們能夠提供不僅僅是感測器本身，還能集成數位介面和其他必要的部件，讓我們的客戶生活更輕鬆。這樣更簡單。」
CCD 與 CMOS 之主要區別
比較CCD和CMOS時，必須考慮它們在影像質量、能量消耗和速度方面的差異。CCD感測器通常以產生高質量、低噪音和增強光感度的影像而聞名。這使得它們成為需要高質量影像的應用的理想選擇，直到最近。
相比之下，CMOS感測器的能耗更低，成本更低，能夠提供片上功能，通過微型化實現更好的整合，並具有更快的處理能力、更高的影像速度，且不會出現CCD技術的視覺效應，如爆點和模糊效果。這使得它們成為當今大多數影像應用的理想選擇 [Review of CMOS image sensor - ScienceDirect]。
影像質量和噪音
由於其類比電荷轉移過程，CCD感測器在歷史上產生更清晰的影像並減少噪音。相比之下，CMOS影像感測器可能會有更多噪音，因為每個像素包含自己的放大器和ADC，導致輸出影像中產生額外的噪音。
然而，CMOS的最近進步使得生產接近CCD感測器影像質量的CMOS影像感測器成為可能，使它們在各種應用中日益競爭。截至2020年，CMOS相機在影像質量方面已追趕上CCD相機 [https://www.testandmeasurementtips.com/the-difference-between-ccd-and-cmos-image-sensing-faq/]。
能量消耗和成本
CMOS感測器相較於CCD感測器的主要優勢之一是能量消耗更低，可達CCD感測器的100分之一 [Review of CMOS image sensor - ScienceDirect]。此外，由於CMOS的整合性，CMOS感測器的製造過程更具成本效益，使它們更適合大規模生產和在各種應用中使用。
這些因素促成了CMOS設備的日益普及，特別是在注重功耗效率和成本的應用中。
速度和幀率
CMOS感測器的演進：進步與創新
Bill Wang 博士在評論影像技術過去幾十年的變化時表示:「最初，CMOS有很多問題。噪點很高。然後經過幾十年的工業經驗，CMOS技術得到了進化。很多噪點被減少了。解析度不斷提高。速度也不斷提高。發展的速度超過了CCD。CCD已經是一種成熟的技術，幾乎沒有提升的空間。過去手機使用外部CCD。但現在每部手機都改用CMOS。我們過去在影像中使用320x240像素，現在已經增長到超過2千萬像素。」
的確，隨著CMOS感測器技術的演進，出現了各種進步和創新，包括高解析度感測器、改進的低光敏感度和近紅外線(NIR)影像，以及增強的動態範圍和量子效率。
這些進展使得CMOS感測器能夠達到過去僅保留給CCD感測器的性能水準，使它們在各種應用中日益競爭。
高解析度CMOS感測器
近年來，高解析度CMOS感測器取得了顯著進展，一些感測器的解析度高達250百萬像素，與CCD感測器不相上下。這種解析度的增加使製造商能夠創建具有更多細節和清晰度的數碼相機和影像系統，進一步縮小了CCD和CMOS感測器在影像質量方面的差距。
CMOS感測器的高解析度使得製造商能夠創建具有更多細節和清晰度的數碼相機和影像系統，使其在CCD感測器方面更具競爭力。這使得從醫學影像到監控和安全等各種應用都能夠更廣泛地應用。
低光敏感度和近紅外線(NIR)影像
CMOS感測器在低光敏感度和近紅外線影像方面也有所改進，一些感測器現在在這些領域的表現優於傳統的CCD感測器。這種低光敏感度和近紅外線影像的改進使得CMOS感測器更適用於需要在具有挑戰性的光照條件下進行高質量影像的應用，如監控系統和天文學。
由於其改進的低光敏感度和近紅外線影像功能，CMOS感測器現在在需要在具有挑戰性的光照條件下進行高質量影像的應用中更為合適，其表現優於傳統的CCD感測器。
動態範圍和量子效率
CMOS感測器技術的另一個進展領域是動態範圍和量子效率的改進。動態範圍是感測器能夠準確捕捉的光強度範圍，CMOS感測器的動態範圍不斷增加，使其能夠捕捉具有更高對比度和更多細節的影像。
同樣地，量子效率是感測器將光轉換為電信號的能力的衡量指標，量子效率也有所改進，使得CMOS感測器更高效和對光更為敏感。
業餘和專業的數碼攝影
業餘和專業的數碼攝影可以在數碼相機中使用CCD和CMOS感測器，取決於所需的影像質量和成本。
CCD感測器以其高影像質量和低噪音水平而聞名，使其在高端相機中很受歡迎，而CMOS感測器則具有低能量消耗、處理速度更快和成本更低的優勢，使其適用於各種應用。
這兩種感測器具有不同的優勢和劣勢，其使用的選擇取決於攝影師的具體需求。
如今，大多數數碼攝影使用CMOS感測器的相機。但仍然不少人對他們舊的CCD相機的影像質量讚不絕口。
醫學和科學影像
醫學和科學影像傳統上使用CCD感測器，因為它們具有高靈敏度和低噪音水平，使其在需要高質量影像的應用中非常理想，如顯微鏡和光譜學。
然而，CMOS的進步使得生產出具有可比較影像質量和性能的CMOS影像感測器，使它們在醫學和科學影像應用中越來越受歡迎。
機器人技術和倉儲自動化
機器人技術和倉儲自動化通常依賴於CMOS感測器，因為它們具有速度快和能量消耗低的特點。這些感測器非常適用於需要快速處理和實時影像的應用，如目標識別、導航和自動化任務。
隨著CMOS技術的不斷進步，它預計將在機器人技術和倉儲自動化中發揮越來越重要的作用。
天文學和天文攝影
傳統上，由於其對光的高靈敏度和低噪音水平，CCD感測器一直是天文學和天文攝影的首選。然而，近年來CMOS感測器技術的進步使得開發出性能可與CCD感測器相媲美的感測器，使它們在這一領域中越來越具競爭力。
監控系統
監控系統使用CCD和CMOS感測器，取決於應用的具體需求。
CCD具有高靈敏度和高精度，因此可以將其用於監控系統，因為這些系統的重點是對目標進行識別。另一方面，CMOS感測器具有低能量消耗和低成本的優勢，使其適用於成本和能源效率至關重要的大規模監控系統。CMOS感測器的更高速捕捉功能也在監控攝像機中非常有用。
移動設備
如今，移動設備主要使用CMOS感測器，由於它們體積小巧，能量消耗低。隨著移動設備相機的質量和功能不斷提高，CMOS感測器在這些設備中的應用以及在CMOS相機中的使用有望進一步增長。
對於CMOS技術的持續進步和創新預計將推動其在越來越廣泛的應用中的應用，包括移動設備等CMOS設備。
CCD 與 CMOS 的應用
CCD和CMOS感測器都廣泛應用於各個行業和領域。在這兩種技術之間的選擇通常取決於應用的具體需求，如影像質量、能量消耗和成本。
例如，CCD感測器通常比CMOS感測器更昂貴，但它們提供更高的影像質量和更好的低光性能。另一方面，CMOS感測器更為普遍。
機器視覺和嵌入式視覺系統
機器視覺和嵌入式視覺系統都使用了CCD和CMOS感測器，但大多數檢測系統正在逐步淘汰CCD感測器，改用CMOS感測器。雖然CCD感測器以其高影像質量和低噪音而聞名，但CCD設置的相機鏡頭通常會產生鏡頭失真，需要軟體進行校正。由於其能量消耗較低、處理速度更快和掃描速度更高，CMOS感測器正變得越來越成為機器視覺應用的主要選擇。
影像技術的未來：CCD vs. CMOS
當我們展望影像技術的未來時，CCD技術的衰落和CMOS技術的崛起變得日益明顯。製造商正專注於改進CMOS，因為它比CCD感測器具有較低的成本、更高的性能和持續的創新。
由於其低能量消耗、高速度和可擴展性，CMOS技術正在成為許多應用的首選。此外，CMOS感測器比CCD感測器更加緊湊輕便，使其與CCD感測器的搭配使用非常理想。
CCD技術的衰落
CCD技術的衰落可以歸因於對新CCD感測器開發的投資不足，以及CMOS感測器的日益普及，後者提供更好的性能、更低的成本和更高的能源效率。因此，CCD感測器變得越來越不受歡迎，在各種應用中使用逐漸減少，而CMOS感測器則持續改進並增加市場份額。
相比CCD感測器，CMOS感測器具有較高的解析度、更快的讀出速度和更低的能耗等優勢。此外，CMOS感測器比CCD感測器更具成本效益，使其成為許多應用的吸引人選擇。因此，CMOS感測器變得越來越重要。
CMOS 技術的興起
CMOS技術的崛起預計將在市場上持續佔據主導地位，由於其較低的成本、更高的性能和持續的創新。CMOS技術的進步，如低光敏感度、動態範圍和量子效率的改進，使得CMOS感測器在各種應用中與CCD感測器競爭日益激烈。
隨著CMOS技術的不斷發展，預計這些感測器將在性能和市場份額方面進一步超越CCD感測器。
Bill Wang 博士，博士表示：“CMOS的潛力是巨大的，就像AI一樣。例如，現在AI只是剛剛開始，未來10年AI會走到何處，目前還無法預測。同樣，未來10年CMOS的發展也是無法預料的。”
當被問及對未來的預測時，Bill Wang 博士建議智能CMOS感測器模組的出現，這些模組不僅能進行影像捕捉，甚至還能進行判斷和做出決策。
您能夠想像未來CMOS能夠實現什麼樣的功能嗎？
常見問題解答（FAQ）
CCD 與 CMOS 哪個更好？
直到2020年，CCD感測器生產的影像質量優於CMOS感測器，且噪音較少。CCD在歷史上也具有較高的動態範圍和更好的顏色再現能力。
與此同時，CMOS感測器通常更經濟實惠，能耗更低，具有晶片功能，更具集成性，能更小型化，允許更高速的影像捕捉，避免了傳統CCD鏡頭可能出現的視覺畫面瑕疵，並具有更高的技術進展潛力。基於這些原因，大多數製造商已從CCD轉向CMOS。
CMOS技術的進步如何影響影像質量？
CMOS技術在過去幾年取得了長足的進步，使得其產生的影像質量與CCD感測器相媲美。得益於CMOS技術的最新進展，使用這類型感測器所生成的影像現在與CCD感測器的質量相媲美，顯著提高了各種應用中設備的可用性和性能。