早于上世紀(jì)九十年代初，有意見認為電荷耦合器件(Charge Coupled Device，CCD) 日漸式微，最終將成為“科技恐龍”。如果用索尼公司(Sony) 2015年的發(fā)布來看待，這個預(yù)言好像也有點道理：當(dāng)時索尼公司正式發(fā)布終止量產(chǎn)CCD 時間表，并開始接收最后訂單。雖然多年前業(yè)界已預(yù)計這是遲早出現(xiàn)的舉措，但是索尼這一發(fā)布仍然震驚了專業(yè)成像社群[2]。值得一提的是很多工業(yè)或?qū)I(yè)應(yīng)用(就是CMOS 圖像傳感器 (CIS) 的重點市場)到現(xiàn)在仍然基于CCD傳感器技術(shù)。

到底CCD有什么特點優(yōu)于CIS，使其更具吸引力呢？在發(fā)展初期，CCD和CIS兩種技術(shù)是共存的；后來CCD被視為能夠滿足嚴(yán)格圖像質(zhì)量要求的高階技術(shù)，而同時期的CMOS技術(shù)仍然未成熟并受制于其固有噪聲和像素復(fù)雜性等問題。在這一時期，圖像技術(shù)仍然以模擬結(jié)構(gòu)為主，而集成圖像處理功能(系統(tǒng)級芯片SOC) 這一意念還沒有被認真考量?；谀柖桑夹g(shù)節(jié)點的縮小使得SOC技術(shù)從2000年起快速擴展并更具競爭力?，F(xiàn)在CIS繼續(xù)致力改進光電性能，在很多方面都顯得比CCD優(yōu)勝。如果利用文首提到的“進化論”譬喻，其實可以把CIS視作抵過多次自然災(zāi)害仍然存活的哺乳類動物，而這個進化歷史更是跨越6500萬年的史詩式故事！

CCD的工作原理是將光子信號轉(zhuǎn)換成電子包并順序傳送到一個共同輸出結(jié)構(gòu)，然后把電荷轉(zhuǎn)換成電壓。接著這些信號會送到緩沖器并存儲到芯片外。在CCD應(yīng)用中，大部分功能都是在相機的電路板上進行的。當(dāng)應(yīng)用需要修改時，設(shè)計人員可以改動電路而無需重新設(shè)計圖像芯片。在CMOS圖像傳感器中，電荷轉(zhuǎn)換成電壓的工作是在每一像素上進行。CMOS圖像芯片在像素級把電荷轉(zhuǎn)換成電壓，而大部分的功能則集成進芯片。這樣所有功能可通過單一電源工作，并能夠?qū)崿F(xiàn)依照感興趣區(qū)域或是開窗靈活讀出圖像。

一般來說，CCD採用NMOS技術(shù)，因而能夠通過如雙層多晶硅、 抗暈(antiblooming)、金屬屏蔽和特定起始物料互相覆蓋等特定工藝實現(xiàn)性能。而CMOS是基于用于數(shù)字集成電路的標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝技術(shù)生產(chǎn)，再根據(jù)客戶要求加入成像功能(如嵌入式光電二極管) 。

一般的見解是CMOS傳感器的生產(chǎn)成本比CCD低，因而它的效能也較CCD低。這個假設(shè)是基于市場需求的考量而出的，但是其它專業(yè)市場的意見卻認為兩者的技術(shù)水平相若，而CCD甚至可能更經(jīng)濟[3]。例如大型主要的航天計劃仍然採用CCD元件，原因不單是CCD在小批量和低成本的考量下在工藝級實現(xiàn)性能優(yōu)化，還有是長期穩(wěn)定供貨的需求考量。同樣地，基于高端CCD的解決方案在科學(xué)成像市場也有主流占有率，而且還有一些新產(chǎn)品在開發(fā)階段。情況就是恐龍進化成飛鳥，而它們大部分都能夠提供優(yōu)秀的成像功能……

CMOS的擁有經(jīng)改進的系統(tǒng)復(fù)雜性，因為它基本上是嵌入了如模數(shù)轉(zhuǎn)換、相關(guān)雙采樣(CDS)、時鐘生成、穩(wěn)壓器等系統(tǒng)級芯片(System-On-Chip，SOC)結(jié)構(gòu)，或是影像后處理等功能，而這些以前都是應(yīng)用系統(tǒng)級設(shè)計才有的功能?，F(xiàn)在的CIS通常是依照從180 nm到近期65 nm的1P4M (1層聚酯，4層金屬) 工藝生產(chǎn)，允許像素設(shè)計加入非常高的轉(zhuǎn)換因子，便于結(jié)合列增益放大。這使得CMOS的光反饋和光敏感度一般都比CCD為佳。相較于CMOS，CCD芯片的襯底偏壓穩(wěn)定性更好且芯片上的電路更少，所以擁有更顯著的低噪優(yōu)勢，甚至達到無固定模式噪聲的水平。

另一方面，CIS有較低采樣頻率，可以減小像素讀出所需要的帶寬，因而瞬時噪聲也較小。快門會同時對陣列上的所有像素進行曝光。但是CMOS傳感器采用這一方法的話，由于每像素需要額外的晶體管，反而占用更多像素空間。

另外，CMOS每一像素擁有一個開環(huán)輸出放大器，而因晶圓工藝的差異，每一放大器的補償和增益會有所變化，使高或暗的不均勻狀況都比CCD傳感器差。相對于同級的CCD傳感器，CMOS傳感器擁有較低的功耗，而芯片上其它電路的功耗也比CCD經(jīng)優(yōu)化模擬系統(tǒng)芯片匹配的解決方案來得低。取決于供貨量并考慮到CCD導(dǎo)入外部相關(guān)電路功能的成本，CMOS的系統(tǒng)成本也有可能低于CCD。表一總結(jié)了CCD和CMOS的特點，有些功能有利于一種或其他技術(shù)，所以毋需完全分割整體性能或成本。不過，CMOS的真正優(yōu)勢是通過系統(tǒng)級芯片(system-on-chip)方式實現(xiàn)導(dǎo)入靈活性，以及其低功耗特點。