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CCD和CMOS的区别

2013年01月17日 大杂烩 暂无评论 阅读 743 次

影像传感器主要负责将光的影像信号转换成电的信号,依感测组件类型可分为光电耦合组件CCD(Charge Coupled Device)、互补式金属氧化半导体CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)、CCD/CMOSHybrid、CID(Charge Injection Device)等,其中以CCD的技术最为成熟、应用也最广泛,其稳定的质量是中高阶数码照相机、数码摄影机的最佳选择。CMOS的技术近几年才逐渐进入应用期,主因是其低耗电、低成本及高整合性的优点,广泛应用在低阶的数字照相机、PC相机、行动电话等产品;CID以其抗幅射性高的优点,大部分应用在太空及特殊用途的影像撷取。

不论CCD还是CMOS,基本上两者都是利用硅感光二极管(photodiode)进行光与电的转换。这种转换的原理与各位手上具备『太阳电能』电子计算器的『太阳能电池』效应相近光线越强、电力越强;反之,光线越弱、电力也越弱的道理,将光影像转换为电子数字信息。

而CMOS与CCD的优缺点的区别可参下表,CMOS此外尚有系统整合性(SOC)、低消耗功率(CCD操作电压5-15V,消耗功率2-5W;CMOS操作电压3-5V,消耗功率20-50mW)、区域读取、智能型画素、高frame rate等优点。

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首先,先来了解CCD与CMOS两者在工作上的特点;CCD影像传感器的特色在于感测信号在传输时能保持不失真的状态、保留较高的完整性,在信号处理的技术上,是在快门关闭之后画素进行转移动作,能顺序地将每个画素(pixel)的电荷信号传入缓冲器中,并由底端的线路导引输出至CCD旁的放大器(Gain Ampli-fiers)进行放大,串联后再由ADC(放大兼模拟数字信号转换器)输出;影像处理过程较为复杂。而CMOS影像处理概念就比较简单,是以画素连接到ADC,以光电信号直接将信号直接放大,再经由BUS通路移动至ADC中转换成数字数据。

整体来说,CCD与CMOS两种设计的应用,反应在成像效果上,形成包括ISO感光度、制造成本、分辨率、噪声与耗电量等,不同类型的差异:

1 ISO感光度差异:由于CMOS每个画素包含了放大器与A/D转换电路(模拟/数字转换电路),过多的额外设备压缩单一画素的感光区域的表面积,因此在相同画素下,同样大小之感光器尺寸,CMOS的感光度会低于CCD。

2 成本差异:CMOS应用半导体工业常用的MOS,可以一次整合全部周边设施于单芯片中,节省加工芯片所需负担的成本和良率的损失;相对地 CCD采用电荷传递的方式输出信息,必须另辟传输信道,如果信道中有一个画素故障(Fail),就会导致一整排的信号壅塞,无法传递,因此CCD的良率比CMOS低,加上另辟传输通道和外加ADC等周边,CCD的制造成本相对高于CMOS。

3 分辨率差异:在第一点『感光度差异』中,由于CMOS每个画素的结构比CCD复杂,其感光开口不及CCD大,相对比较相同尺寸的CCD与CMOS感光器时,CCD感光器的分辨率通常会优于CMOS。不过,如果跳脱尺寸限制,目前业界的CMOS感光原件已经可达到1400万画素/全片幅的设计,CMOS技术在量率上的优势可以克服大尺寸感光原件制造上的困难,特别是全片幅24mm-by-36mm这样的大小。

4 噪声差异:由于CMOS每个感光二极管旁都搭配一个ADC放大器,如果以百万画素计,那么就需要百万个以上的ADC放大器,虽然是统一制造下的产品,但是每个放大器或多或少都有些微的差异存在,很难达到放大同步的效果,对比单一个放大器的CCD,CMOS最终计算出的噪声就比较多。

5 耗电量差异:CMOS的影像电荷驱动方式为主动式,感光二极管所产生的电荷会直接由旁边的晶体管做放大输出;但CCD却为被动式,必须外加电压让每个画素中的电荷移动至传输通道。而这外加电压通常需要12伏特(V)以上的水平,因此 CCD还必须要有更精密的电源线路设计和耐压强度,高驱动电压使 CCD的电量远高于CMOS。

尽管 CCD在影像质量等各方面均优于CMOS,但不可否认的CMOS具有低成本、低耗电以及高整合度的特性。 由于数字影像的需求热烈,CMOS的低成本和稳定供货,成为厂商的最爱,也因此其制造技术不断地改良更新,使得 CCD与CMOS两者的差异逐渐缩小 。新一代的CCD朝向耗电量减少作为改进目标,以期进入照相手机的行动通讯市场;CMOS系列,则开始朝向大尺寸面积与高速影像处理芯片统合,由后续的影像处理修正噪声以及画质表现。

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CMOS影像传感器结构

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