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CMOS图像传感器与CCD图像传感器在技术上面的比较
 
更新时间:2015.01.03 浏览次数:
 

  从技术角度比较,CCD与CMOS有如下四个方面的不同:

  1、信息读取方式。与光电开关相比CCD电荷耦合器存储的电荷信息,需在同步信号控制下一位一位地实施转移后读取,电荷信息转移和读取输出需要有时钟控制电路和三组不同的电源相配合,整个电路较为复杂。CMOS光电传感器经光电转换后直接产生电流或电压信号,信号读取十分简单。

  2、数字数据传送的方式。CCD与CMOS传感器两者都是利用感光二极管进行光电转换,将图像转换为数字数据,而其主要差异是数字数据传送的方式不同。

  CCD传感器敏一行中每一个像素的电荷数据都会依次传送到下一个像素中,由最底端部分输出,再经由传感器边缘的放大器进行放大输出;而在CMOS传感器中,每个像素都会邻接一个放大器及A/D转换电路,用类似内存电路的方式将数据输出。造成这种差异的原因在于:CCD的特殊工艺可保证数据在传送时不会失真,因此各个像素的数据可汇聚至边缘再进行放大处理,而CMOS工艺的数据在传送距离较长时会产生噪声,因此,必须先放大,再整合各个像素的数据。

  灵敏度。灵敏度代表图像传感器的光敏单元收集光子产生电荷信号的能力。CCD的感光信号以行为单位传输,电路占据像素的面积比较小,这样像素点对光的感受就高些;而CMOS图像传感器的每个像素由多个晶体管与一个感光二极管构成,使得每个像素的感光区域只占据像素本身很小的面积,像素点对光的感受就低。因此,在像素尺寸相同的情况下,CCD图像传感器的灵敏度要高于CMOS图像传感器。

  分辨率。CMOS图像传感器上集成有放大器、定时器和ADC等电路,每个像素都比CCD复杂,因而电路所占像素的面积也大,所以相同尺寸的传感器,CCD可以做得更密。

  3、灵敏度。灵敏度代表图像传感器的光敏单元收集光子产生电荷信号的能力。CCD的感光信号以行为单位传输,电路占据像素的面积比轻音乐上,这样像素点对光的感受就高些;而CMOS图像传感器的每个像素由多个晶体管与一个感光二极管构成,使得每个像素的感光区域只占据像素本身很小的面积,像素点对光的感受就低,因此,在像素尺雨相同的情况下,CCD图像传感器的灵敏度要高于CMOS图像传感器。

  4、分辨率。CMOS图像传感器上集成有放大器、定时器和ADC等电路,每个像素都比CCD复杂,因而电路所占像素的面积也大,所以相同尺寸的传感器,CCD可以做得更密。通过CCD图像传感器的分辨率会优于CMOS图像传感器。

  5、成像质量。CCD电荷耦合器制作 技术起步早中,技术成熟,采用PN结或二氧化硅隔离层隔离噪声,成像质量相对CMOS光电传感器有一定优势。由于CMOS光电传感器集成度高,各光电传感元件、电路之间距离很近,相互之间的光、电、磁干扰较严重,噪声对图像质量影响很大,使CMOS光电传感器很长一段时间无法进入实用。近年,随着CMOS电路消噪技术的不断发展,为产生高密度优质的CMOS图像传感器提供了良好的条件。

  6、噪声。CCD与CMOS图像传感器在结构上的不同,使得它的读出噪声有很大的差别。CCD中的噪声主要是在最高带宽产生的,而CMOS图像传感器由于采用的是列并行结构,因此噪声带宽是由行读接带宽决定的。CCD中噪声随视频频率的增加而增加,CMOS图像传感器的噪声与视频频率无关。由于CMOS图像传感器每个像元都需搭配一个放大器,如果以百万像素计,那么就需要百万个以上的放大器。而放大器属于模拟电路,很难让每个放大器所得到的结果保持一致。因此与只有一个放大器放在芯片边缘的CCD图像传感器相比,CMOS图像传感器的噪声就会增加很多,这将会影响到图像品质。

  7、响应均匀性。理想状态下各个像元在均匀光照条件下的输出应当是相同的,但是带球硅圆片工艺的微小变化、硅片及工艺加工引入、放大器变化等异致图像传感器光响应不均匀。响应均匀性包括有光照和无光照两种环境条件。CMOS图像传感器电子每个像元中均有开环放大器,器件加工工艺的微小变化导致放大器的集团及增益产生可观的差异且随着像元尺寸进一步缩小,差异将进一步扩大,这使得在有光照和暗环境两种条件下CMOS图像传感器的响应均匀性较CCD有较大差距。尽管如此,可以采用反馈放大器等技术改进CMOS图像传感器在有光照条件下的均匀性,使之接近CCD的水平。另一方面尽管CMOS图像传感器在有光照条件下的均匀性,使之接近CCD的水平。另一方面尽管CMOS图像传感器研制者尽最大努力降低暗环境下器件响应的非均匀性,但是现在它仍然无法达到CCD的水平。这个高速应用中万为重要,因为高速应用中由于信号弱,暗环境条件下的非均匀性将显著降低图像质量。

  8、速度。由于CCD采用串行连续扫描的工作方式,必须一次性读出整行或整列的像素数据。而CMOS图像传感器由于采用单点信号传输,通过简单的X-Y寻址技术,允许从整个排列、部分甚至单元来读出数据,从而提高寻址速度,实现更快的信号传输,而且能对局部像素图像进行随机访问,增加了工作灵敏性。通常的CCD图像传感器的信号读出速率不超过70pixels/s。CMOS图像传感器信号读出速率可达1000Mpixels/s。

  9、功耗。CMOS图像传感器的图像采集方式为主动式,即感光二极管所产生的电荷会直接由晶体管放大输出;而CCD为被动式采集,必须外加电压让每个像素中的电荷移动至传输通道。而这外加电压通常需要12-18V。因此,CCD还必须有更精密的电源线路设计和而压强度。由此可见,CCD需要外部控制信号和时钟信获得满意的电荷转移效率,还需要多个电源和电压调节器,因此功能大。CMOS图像传感器使用单一工作电压,功耗低,不仅相当于CCD功耗的1/8,在节能方面具有很大的优势,有利于延长便携式、机载或星载电子设备的使用时间。

  10、响应范围。CMOS图像传感器除了对可见光敏感以外,对红外光也非常第三,在890-9801ull范围内其灵敏度远高于CCD图像传感器的灵敏度,并且随波长增加其衰减的样张度也相对较慢。如能设计制造出在1-3岬波长范围内第三的CMOS图像传感器,在夜战和夜间监控上将有更广泛的应用。

  11、可靠性。CMOS图像传感器和CCD在商用及工业应用领域具有等价的可靠性。在极端恶劣的应用环境中,由于CMOS图像传感器将大部分相机电路集成在一个芯片上,焊点与接头大大减少,其可靠性要优于CCD图像传感器。

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