CCD和CMOS传感器的原理及区别

CCD和CMOS传感器的原理及区别1CCD和CMOS传感器的原理及区别一、CCD和CMOS物理结构CCD英文全名ChargeCoupledDevice，感光耦合元件，CCD为数码相机中可记录光线变化的半导体，通常以百万像素〈megapixel〉为单位。数码相机规格中的多少百万像素，指的就是CCD的解析度，也代表着这台数位相机的CCD上有多少感光元件。CCD主要材质为硅晶半导体，基本原理类似CASIO计算机上的太阳能电池，透过光电效应，由感光元件表面感应来源光线，从而转换成储存电荷的能力。CCD元件上安排有通道线路，将这些电荷传输至放大解码原件，就能还原所有CCD上感光元件产生的信号，并构成了一幅完整的画。CMOS英文全名ComplementaryMetal-OxideSemiconductor，互补性氧化金属半导体，CMOS和CCD一样同为在数码相机中可记录光线变化的半导体，外观上几乎无分轩轾。但CMOS的制造技术和CCD不同，反而比较接近一般电脑晶片。CMOS的材质主要是利用硅和锗这两种元素所做成的半导体，使其在CMOS上共存着带N（带正电）和P（带负电）级的半导体，这两个互补效应所产生的电流即可被处理晶片纪录和解读成影。二、CMOS和CCD传感器原理CCD与CMOS传感器是当前被普遍采用的两种图像传感器，两者都是利用感光二极管(photodiode)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。这种转换的原理与“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号。比较CCD和CMOS的结构，ADC的位置和数量是最大的不同。简单的说，CCD每曝光一次，在快门关闭后进行像素转移处理，将每一行中每一个像素（pixel）的电荷信号依序传入“缓冲器”中，由底端的线路引导输出至CCD旁的放大器进行放大，再串联ADC输出；相对地，CMOS的设计中每个像素旁就直接连着ADC（放大兼类比数字信号转换器），讯号直接放大并转换成数字信号。由于构造上的基本差异，我们可以看出两者在性能上的表现之不同。CCD的特色在于充分保持信号在传输时不失真（专属通道设计），透过每一个像素集合至单一放大器上再做统一处理，可以保持资料的完整性；CMOS的制程较简单，没有专属通道的设计，因此必须先行放大再整合各个像素的资料。三、CMOS和CCD传感器差异整体来说，CCD与CMOS两种设计的应用，反应在成像效果上，形成包CCD和CMOS传感器的原理及区别2括ISO感光度、制造成本、解析度、噪点与耗电量等，不同类型的差异。工作原理差异：CCD在工作时，上百万个像素感光后会生成上百万个电荷，所有的电荷全部经过一个“放大器”进行电压转变，形成电子信号，因此，这个“放大器”就成为了一个制约图像处理速度的“瓶颈”，所有电荷由单一通道输出，就像千军万马从一座桥上通过，当数据量大的时候就发生信号“拥堵”，而百万像素高清网络摄像机格式却恰恰需要在短时间内处理大量数据，因此，在安防监控产品中使用单CCD无法满足高速读取高清数据的需要。而CMOS则不同，每个像素点都有一个单独的放大器转换输出，因此CMOS没有CCD的“瓶颈”问题，能够在短时间内处理大量数据，输出高清影像，因此也能都满足高清网络摄像机的需求。ISO感光度差异：由于CMOS每个像素包含了放大器与A/D转换电路，过多的额外设备压缩单一像素的感光区域的表面积，因此相同像素下，同样大小之感光器尺寸，CMOS的感光度会低于CCD。成本差异：CMOS应用半导体工业常用的MOS制程，可以一次整合全部周边设施于单晶片中，节省加工晶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资讯，必须另辟传输通道，如果通道中有一个像素故障（Fail），就会导致一整排的讯号壅塞，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。解析度差异：在第一点“感光度差异”中，由于CMOS每个像素的结构比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感光器的解析度通常会优于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1400万像素/全片幅的设计，CMOS技术在良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。噪点差异：由于CMOS每个感光二极体旁都搭配一个ADC放大器，如果以百万像素计，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，对比单一一个放大器的CCD，CMOS最终计算出的噪点就比较多。耗电量差异：CMOS的影像电荷驱动方式为主动式，感光二极体所产生的电荷会直接由旁边的电晶体做放大输出；但CCD却为被动式，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的电量大约是CMOS的3到10倍。CCD碍于原理特性，无法与时序电路、控制电路、模拟数字转换等相关芯片电路一同整合封装，而CMOS却可以，因此在功能体积上CMOS能比CCD更小。CMOS光电传感器在节能方面具有很大优势，使得摄像机的体积也就做得更小。四、CMOS和CCD传感器的应用CCD在影像品质等各方面均优于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。由于数码影像的需求热烈，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。从技术发展的角度来看：CMOS的发展空间要大得多，CCD则受到制造工艺的局限，发展空间有限。