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CCD和CMOS相機的差異

CCD和CMOS相機的差異
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CCD和CMOS相機的差異
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編輯時間 : 2020-12-14

CCD和CMOS相機的差異:


1


成像過程


CMOS 與CCD圖像傳感器光電轉換的原理相同,他們主要的差別在于信號的讀出過程不同;由于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。盡管降低了功耗,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。


2


集成性 


從制造工藝的角度看,CCD 中電路和器件是集成在半導體單晶材料商,工藝較復雜,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,需要后續的地址譯碼器、模擬轉換器、圖像信號處理器處理,并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。


3


速度


在速度上CCD 采用逐個光敏輸出,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采樣,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。


4


噪聲 


由于CCD 技術發展較早,比較成熟,采用PN 結或二氧化硅(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。由于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 電路消噪技術的不斷發展,為生產高密度優質的CMOS 圖像傳感器提供了良好的條件。



5


成像原理


首先來看一下CMOS: 


CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor)即互補性金屬氧化物半導體,其在微處理器、閃存和特定用途集成電路(ASIC)的半導體技術上占有重要的地位。CMOS和CCD一樣都是可用來感受光線變化的半導體。CMOS主要是利用硅和鍺這兩種元素所作成的半導體,通過CMOS上帶負電和帶正電的晶體管來實現基本的功能的。這兩個互補效應所產生的電流即可被處理芯片記錄和解讀成影像。

 


CMOS結構相對簡單,與現有的大規模集成電路生產工藝相同,從而生產成本可以降低。從原理上講,CMOS的信號是以點為單位的電荷信號,而CCD是以行為單位的電流信號,前者更為敏感,速度也更快,更為省電。現在優質的CMOS并不比一般CCD差,但目前CMOS技術發展還不成熟,這種高質量的CMOS還只應用于專業級別的數碼相機上,許多低檔入門型的數碼相機使用的是廉價低檔的CMOS,其成像質量比較差。缺點之一就是太容易出現噪點, 這主要是因為早期的設計使CMOS在處理快速變化的影像時,由于電流變化過于頻繁而會產生過熱的現象。所以目前如果購買消費級數碼相機還是要選擇以CCD為影像傳感器的。


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