CCD 相機與CMOS 相機的區別

 

 

 

 

CCD 相機與CMOS 相機的區別

CCD 與CMOS 圖像傳感器光電轉換的原理相同，

他們最主要的差別在於信號的讀出過程不同；

由於CCD僅有一個（或少數幾個）輸出節點統一讀出，

其信號輸出的一致性非常好；

而CMOS 芯片中，每個像素都有各自的信號放大器，

各自進行電荷-電壓的轉換，

其信號輸出的一致性較差。

 

但是CCD 為了讀出整幅圖像信號，要求輸出放大器的信號帶寬較寬，

而在CMOS 芯片中，每個像元中的放大器的帶寬要求較低，

大大降低了芯片的功耗，這就是CMOS芯片功耗比CCD 要低的主要原因。

儘管降低了功耗，

但是數以百萬的放大器的不一致性卻帶來了更高的固定噪聲，

這又是CMOS 相對CCD 的固有劣勢。

 

 

從製造工藝的角度l來看，CCD 中電路和器件是集成在半導體單晶材料商，

工藝較複雜，世界上只有少數幾家廠商能夠生產CCD 晶元，如DALSA、SONY、松下等。

CCD 僅能輸出模擬電信號，需要後續的地址譯碼器、模擬轉換器、圖像信號處理器處理，

並且還需要提供三組不同電壓的電源同步時鐘控制電路，集成度非常低。

 

而CMOS是集成在被稱作金屬氧化物的版單體材料上，

這種工藝與生產數以萬計的計算機芯片和存儲設備等半導體集成電路的工藝相同，

因此聲場CMOS 的成本相對CCD 低很多。

同時CMOS 芯片能將圖像信號放大器、信號讀取電路、A/D 轉換電路、圖像信號處理器及控制器等集成到一塊芯片上，

只需一塊芯片就可以實現相機的所有基本功能，集成度很高，芯片級相機概念就是從這產生的。

隨著CMOS 成像技術的不斷發展，

有越來越多的公司可以提供高品質的CMOS 成像芯片，包括：Micron、 CMOSIS、Cypress等。

 

CCD 採用逐個光敏輸出，只能按照規定的程序輸出，速度較慢。

CMOS 有多個電荷-電壓轉換器和行列開關控制，讀出速度快很多，

目前大部分500fps 以上的高速相機都是CMOS 相機。

此外CMOS 的地址選通開關可以隨機採樣，實現子窗口輸出，

在僅輸出子窗口圖像時可以獲得更高的速度。

CCD 技術發展較早，比較成熟，採用PN 結或二氧化矽（SiO2）隔離層隔離噪聲

，成像質量相對CMOS 光電傳感器有一定優勢。

由於CMOS 圖像傳感器集成度高，各元件、電路之間距離很近，干擾比較嚴重，

噪聲對圖像質量影響很大。近年，隨著CMOS 電路降噪技術的不斷發展，

為生產高密度優質的CMOS 圖像傳感器提供了良好的條件。

 

在機器視覺中主要採用的兩類光電傳感芯片分別為CCD 芯片和CMOS 芯片，

CCD 是ChargeCoupled Device(電荷耦合器件)的縮寫，

CMOS 是Complementary Metal-Oxide-Semiconductor Transistor(互補金屬氧化物半導體)的縮寫。

無論是CCD 還是CMOS，他們的作用都是通過光電效應將光信號轉換成電信號（電壓/電流），

進行存儲以獲得圖像。 CCD 芯片與CMOS 芯片的主要參數有：

1. 像元尺寸
像元尺寸指芯片像元陣列上每個像元的實際物理尺寸，

通常的尺寸包括14um,10um,9um , 7um ,6.45um ,3.75um 等。

像元尺寸從某種程度上反映了芯片的對光的響應能力，像元尺寸越大，

能夠接收到的光子數量越多，在同樣的光照條件和曝光時間內產生的電荷數量越多。

對於弱光成像而言，像元尺寸是芯片靈敏度的一種表徵。

2. 靈敏度
靈敏度是芯片的重要參數之一，它具有兩種物理意義。

一種指光器件的光電轉換能力，與響應率的意義相同。

即芯片的靈敏度指在一定光譜範圍內，單位曝光量的輸出信號電壓（電流），

單位可以為納安/勒克斯nA/Lux、伏/瓦（V/W）、伏/勒克斯（V/Lux） 、伏/流明（V/lm）。

另一種是指器件所能傳感的對地輻射功率（或照度），與探測率的意義相同，。單位可用瓦（W）或勒克斯（Lux）表示。

3. 壞點數
由於受到製造工藝的限制，對於有幾百萬像素點的傳感器而言，

所有的像元都是好的情況幾乎不太可能，壞點數是指芯片中壞點

（不能有效成像的像元或相應不一致性大於參數允許範圍的像元）的數量，

換點數是衡量芯片質量的重要參數。

4. 光譜響應

光譜響應是指芯片對於不同光波長光線的響應能力，

通常用光譜響應曲線給出。