cmos傳感器與ccd：CCD與CMOS圖像傳感器：哪個更好？
在考慮成像系統(tǒng)中的不同設(shè)計時，要做出的主要決定之一是您應(yīng)該使用CCD圖像傳感器還是CMOS圖像傳感器。成像系統(tǒng)的其余部分將圍繞此選擇，以及成像系統(tǒng)的最終性能。
那么，一個比另一個更好嗎？您怎么知道哪個更適合您？
CCD與CMOS圖像傳感器：性能注意事項
CCD圖像傳感器的使用壽命比CMOS圖像傳感器更長，這主要是由于它們在成像性能方面的長期優(yōu)勢。盡管最近的CMOS傳感器已經(jīng)接近或有時甚至達(dá)到了CCD的性能，但在一段時間內(nèi)CCD傳感器一直是出色的傳感器。
這主要是因為CCD具有在整個芯片上傳輸電荷而不會變形的能力，從而產(chǎn)生了極高的光敏性和高質(zhì)量的成像效果。CCD產(chǎn)生模擬信號，其中所有像素都用于光捕獲。相反，CMOS圖像傳感器產(chǎn)生數(shù)字信號，并且每個像素執(zhí)行自己的電荷到電壓轉(zhuǎn)換，從而降低了均勻性。
CCD圖像傳感器具有光敏性，非常適合近紅外（NIR）成像應(yīng)用以及其他要求異常高圖像質(zhì)量的應(yīng)用。最近已接近CCD質(zhì)量的CMOS傳感器已成為大多數(shù)其他成像應(yīng)用中更為常見的圖像傳感器。
CCD與CMOS圖像傳感器：成本考慮
CCD圖像傳感器比CMOS圖像傳感器貴得多。成本是大多數(shù)成像應(yīng)用的主要考慮因素，而CMOS傳感器在這里具有主要優(yōu)勢。
如果您的應(yīng)用需要定制的圖像傳感器，那么考慮使用CCD圖像傳感器可能會很有意義，因為您仍然會花費很多錢。如果您具有NIR或非典型的成像應(yīng)用，那么考慮使用CCD傳感器也很有意義。否則，具有相似性能和便宜得多的CMOS傳感器可能對您最有意義。
最后，一個圖像傳感器并不比另一個更好。您需要哪種傳感器將完全取決于您特定應(yīng)用程序的需求。
cmos傳感器與ccd：CCD傳感器與CMOS傳感器的區(qū)別
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CCD是電荷耦合器件(charge-coupled device), 它使用一種高感光度的半導(dǎo)體材料（p-Si）制成，能把光轉(zhuǎn)變成電荷。在一個用于感光的CCD中，有一個光敏區(qū)域（硅的外延層），和一個由移位寄存器制成的傳感區(qū)域。圖像通過透鏡投影在一列電容上（光敏區(qū)域），導(dǎo)致每一個電容都積累一定的電荷，而電荷的數(shù)量則正比于該處的入射光強(qiáng)。如圖在柵電極（G）中，施加正電壓會產(chǎn)生勢阱（黃），并把電荷包（電子，藍(lán)）收集于其中。只需按正確的順序施加正電壓，就可以傳導(dǎo)電荷包，如圖1所示。
圖1 CCD像元及轉(zhuǎn)移示意圖
多個像素電荷轉(zhuǎn)移如圖2所示，一旦電容陣列曝光，一個控制回路將會使每個電容把自己的電荷傳給相鄰的下一個電容（傳感區(qū)域）。
圖2 多像元轉(zhuǎn)移示意圖
陣列中最后一個電容里的電荷，則將傳給一個電荷放大器，并被轉(zhuǎn)化為電壓信號。通過重復(fù)這個過程，控制回路可以把整個陣列中的電荷轉(zhuǎn)化為一系列的電壓信號，如圖3所示。
圖3 CCD讀出電路示意圖
CMOS是互補(bǔ)型金屬氧化物半導(dǎo)體（Complementary metal-Oxide Semiconductor）主要是利用硅和鍺這兩種元素所做成的半導(dǎo)體，使其在CMOS上共存著帶N（帶–電）和 P（帶+電）級的半導(dǎo)體，利用這個工藝產(chǎn)生的成像傳感器稱為CMOS成像傳感器。目前其基本結(jié)構(gòu)是一個光電二極管，一個浮置柵，傳輸門，復(fù)位門，選擇們以及源級跟隨讀出管構(gòu)成，稱為4T單元結(jié)構(gòu)。如圖4所示。
圖4 典型的4管像元結(jié)構(gòu)
其他結(jié)構(gòu)有三管結(jié)構(gòu)和二管結(jié)構(gòu)，如圖5所示。
圖5 三管像元結(jié)構(gòu)(左)和二管像元結(jié)構(gòu)(右)
CCD圖像傳感器和CMOS圖像傳感器的主要區(qū)別如下：
1.成像過程
CCD與CMOS圖像傳感器光電轉(zhuǎn)換的原理相同，都是把光子轉(zhuǎn)換為電荷，如圖6所示
圖6 光電轉(zhuǎn)換示意圖
在制造上的主要區(qū)別是CCD是集成在半導(dǎo)體單晶材料上，而CMOS是集成在被稱做金屬氧化物的半導(dǎo)體材料上，他們最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(shù)幾個）輸出節(jié)點統(tǒng)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(jìn)行電荷-電壓的轉(zhuǎn)換，其信號輸出的一致性較差，數(shù)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。同時，CMOS具有更好的高光溢出(blooming)控制性能。
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(dǎo)體單晶材料上，工藝較復(fù)雜，世界上只有少數(shù)幾家廠商能夠生產(chǎn)CCD晶元，如DALSA、SONY、松下等。CCD僅能輸出模擬電信號，需要后續(xù)的地址譯碼器、模擬轉(zhuǎn)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半導(dǎo)體材料上，這種工藝與生產(chǎn)數(shù)以萬計的計算機(jī)芯片和存儲設(shè)備等半導(dǎo)體集成電路的工藝相同，因此生產(chǎn)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(zhuǎn)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(xiàn)相機(jī)的的所有基本功能，集成度很高，芯片級相機(jī)概念就是從這產(chǎn)生的。隨著CMOS成像技術(shù)的不斷發(fā)展，有越來越多的公司可以提供高品質(zhì)的CMOS成像芯片，包括：Micron、 CMOSIS、Cypress等。
3.速度
CCD采用逐個光敏輸出，只能按照規(guī)定的程序輸出，速度較慢。CMOS有多個電荷-電壓轉(zhuǎn)換器和行列開關(guān)控制，讀出速度快很多，大部分500fps以上的高速相機(jī)都是CMOS相機(jī)。此外CMOS的地址選通開關(guān)可以隨機(jī)采樣，實現(xiàn)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
CCD技術(shù)發(fā)展較早，比較成熟，采用PN結(jié)或二氧化硅（SiO2）隔離層隔離噪聲，成像質(zhì)量相對CMOS光電傳感器有一定優(yōu)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(yán)重，噪聲對圖像質(zhì)量影響很大。隨著CMOS電路消噪技術(shù)的不斷發(fā)展，為生產(chǎn)高密度優(yōu)質(zhì)的CMOS圖像傳感器提供了良好的條件。
5.感光度
由于CMOS每個像素包含放大器和AD轉(zhuǎn)換電路，過多的額外電路使得像素的可感光面積變小，因此在相同的像素下，同樣大小的傳感器尺寸，CMOS的感光度要低于CCD
6.功耗
CMOS的讀出方式為主動式，感光二極管所產(chǎn)生的電荷會直接由旁邊的晶體管放大輸出，而CCD是被動式，必須外加電壓讓每個像素中的電荷移動到讀出讀出通道，這需要外加電壓，通常為12V以上的，因此CCD還必須有更精密的電源設(shè)計和耐壓強(qiáng)度。同時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。
盡管CCD在圖像品質(zhì)等很多方面優(yōu)于CMOS，但是不可否認(rèn)CMOS具有低成本、低功耗以及高整合度的特點。CMOS的低成本和穩(wěn)定供貨成為了生產(chǎn)廠家的最愛，其制造技術(shù)也在不斷的更新改進(jìn)，使得兩者之間的差異逐漸縮小。
cmos傳感器與ccd：CMOS直讀光譜儀是什么？
CMOS，即互補(bǔ)性氧化金屬半導(dǎo)體。CMOS和CCD一樣同為可記錄光線變化的半導(dǎo)體。CMOS的傳感器相對于CCD而言最大的缺點在于圖像噪點多，低照情況下表現(xiàn)差，但是，最大的優(yōu)點則是CMOS的制造原理更加簡單，體積更小，功耗可以大大的降低。
CCD，即感光耦合元件，它是一種可記錄光線變化的半導(dǎo)體成像器件，因而具有靈敏度高、抗強(qiáng)光、畸變小、體積小、壽命長、抗震動等優(yōu)點。CCD對監(jiān)控場景的適應(yīng)性更佳，在低照度下效果表現(xiàn)更好。CCD由以前1/4英寸到現(xiàn)在1/3英寸、1/2英寸甚至2/3英寸等等，代表了其技術(shù)的不斷發(fā)展，再經(jīng)過圖像處理芯片的配合，能夠達(dá)到分辨率720P甚至1080P的輸出。在高清的CCD領(lǐng)域，SONY擁有最高的話語權(quán)，它的IT1方案中基于ICX445的130萬CCD芯片是各大廠家采用最多的一款百萬像素CCD，其有效像素為1280×1024，最高分辨率根據(jù)各家技術(shù)實力的不同可以到達(dá)720P或者更高的960P，如浙江信產(chǎn)、海康等公司的百萬像素高清產(chǎn)品其最高分辨率都可以達(dá)1280×960，即960P這個分辨率；針對200萬像素的高清監(jiān)控，SONY推出了他們的ICX274芯片，該芯片的大小為1/3英寸，最高分辨率為1600×1200即UXGA分辨率，目前市面上絕大多數(shù)的200萬CCD高清產(chǎn)品都是基于該芯片方案而設(shè)計的。
CCD制造工藝復(fù)雜，只掌握在少數(shù)廠家手中，導(dǎo)致其制造成本居高不下，CCD尺寸每增大一點，成本就呈幾何數(shù)增長，因此如果監(jiān)控要走高清化，CCD顯然發(fā)展前景有限。而CMOS最大特點在于其成本低、功耗低。在獲得相同像素數(shù)的情況下，價格更低，具有很高性價比，可以不斷朝更高像素、更高分辨率發(fā)展，而高清監(jiān)控對成本是非常敏感的，也因此市面上大部分高清攝像機(jī)都采用CMOS。要做到高清，還需要在寬動態(tài)、自動白平衡、圖像的銳利度、以及數(shù)字降噪、色彩調(diào)整、光線補(bǔ)償?shù)榷喾矫婕夹g(shù)協(xié)作。
只有在這些綜合性能都能夠得到很好體現(xiàn)，并且彼此能夠相互協(xié)調(diào)情況下，才可以說是高清的真正實現(xiàn)。CMOS與其他圖像處理技術(shù)的結(jié)合要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過CCD，動態(tài)范圍更高，響應(yīng)速度也更快，更適合高清監(jiān)控的大數(shù)據(jù)量特點。此外，隨著技術(shù)的發(fā)展，CMOS的靈敏度也得到極大改善，在效果上，如今一些CMOS傳感器與CCD已經(jīng)不相上下甚至已經(jīng)優(yōu)于CCD的實際效果了。
創(chuàng)想直讀光譜儀
高清攝像機(jī)需要搭配高清鏡頭，平安工程的高清監(jiān)控不僅對攝像機(jī)、也對專業(yè)鏡頭提出了高清化的需求。高清鏡頭對于高清監(jiān)控具有重要意義。高清時代的攝像機(jī)清晰度可達(dá)到百萬級別，但若所搭配的鏡頭與其不匹配，那就無法完全呈現(xiàn)出攝像機(jī)的超高分辨率效果。目前，在監(jiān)控攝像中，高清攝像頭的價格已經(jīng)在幾百左右，已經(jīng)能看到監(jiān)控屏幕和手機(jī)屏幕。
“采、傳、存、顯、控”這五個部分，可以看到高清的現(xiàn)狀和問題，從而得到提高監(jiān)控質(zhì)量的方式方法。高清的視頻效果保證首先來源于高清信息的采集，如果沒有前端高清視頻采集，無法談及后端的高清效果。
在相同的攝像機(jī)情況下，畫面最終的表現(xiàn)，鏡頭的分辨率起了決定性的作用。高清鏡頭優(yōu)于普通鏡頭主要體現(xiàn)在三個方面：清晰度、光譜透射能力和光譜矯正能力。高清鏡頭能增強(qiáng)畫面的對比度和亮度，獲得高清的圖像效果，對畫面的細(xì)節(jié)表現(xiàn)更豐富。
那么要如何選擇高清鏡頭呢？一般來說，在選擇鏡頭時要根據(jù)攝像機(jī)的最高分辨率來選擇相同或高于其像素的鏡頭產(chǎn)品。此外，還要根據(jù)項目特點具體分析。比如，在需要夜間拍攝的場所，為了讓日夜型攝像機(jī)具有更好的拍攝效果，必須依賴于高清鏡頭具有更大的口徑，如2/3英寸，以及更好的光圈值F，讓攝像機(jī)能夠獲取更多的光通量，協(xié)助攝像機(jī)在夜間獲得更好的拍攝效果。
某些項目攝像機(jī)在使用過程中需要配合紅外補(bǔ)光燈，那么應(yīng)該使用具備IR功能的鏡頭，這樣在夜晚也能得到更加明亮的畫面，同時也降低夜晚虛焦的問題。而對于較為苛刻的環(huán)境，例如配合激光燈，對遠(yuǎn)距離目標(biāo)監(jiān)控，就要保證非可見光波長在900um時依然能夠達(dá)到60%以上的透射率。
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cmos傳感器與ccd：關(guān)于CCD與CMOS的區(qū)別分析
描述
隨著影像行業(yè)的發(fā)展，各類新型感光技術(shù)不斷涌現(xiàn)。為了讓大家更好的了解市場上的主要的感光芯片，這期將為大家介紹感光芯片的兩大主角CCD和CMOS。CCD和CMOS傳感器是目前最常見的數(shù)字圖像傳感器，廣泛應(yīng)用于數(shù)碼相機(jī)、數(shù)碼攝像機(jī)、照相手機(jī)和攝像頭等產(chǎn)品上。兩者在結(jié)構(gòu)、性能和技術(shù)上均不盡相同，在此我將兩者作一個簡單的比較，使廣大讀者對CCD和CMOS能有一個比較初步的認(rèn)識，在選購相關(guān)產(chǎn)品時也能做到心中有數(shù)。
CCD簡介
CCD的英文全稱是“Charge-coupledDevice”，中文全稱是電行耦合元件，通常稱為CCD圖像傳感器。CCD是一種半導(dǎo)體器件，能夠把光學(xué)影像轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，CCD上植入的微小光敏物質(zhì)稱作像素(Pixel)，一塊CCD上包含的像素數(shù)越多，其提供的畫面分辨率也就越高。CCD作用就像膠片一樣，但它是把圖像像素轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，CCD上有許多排列整齊的電容，能感應(yīng)光線，并將影像轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號。經(jīng)由外部電路的控制，每個小電容能將其所帶的電行轉(zhuǎn)給它相鄰的電容。
CMOS簡介
CMOS(CompementarymetalOxideSemiconductor)指互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體，是電壓控制的一種放大器件，是組成CMOS數(shù)字集成電路的基本單元。在數(shù)字影像領(lǐng)域，CMOS作為一種低成本的感光元件技術(shù)被發(fā)展出來，市面上常見的數(shù)碼產(chǎn)品，其感光元件主要就是CCD或者CMOS，尤其是低端攝像頭產(chǎn)品，而通常高端攝像頭都是CCD感光元件。CMOS制造工藝被應(yīng)用于制作數(shù)碼影像器材的感光元件，是將純粹邏輯運算的功能轉(zhuǎn)變成接收外界光線后轉(zhuǎn)化為電能，再造過芯片上的模一數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)將獲得的影像訊號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號輸出。
CCD和CMOS的區(qū)別
CCD和CMOS的性能對比
CCD存儲的電荷信息，需在同步信號控制下一位一位地實施轉(zhuǎn)移后讀取，電荷信息轉(zhuǎn)移和讀取輸出需要有時鐘控制電路和三組不同的電源相配合，整個電路較為復(fù)雜而且速度較慢。而CMOS傳感器經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后直接產(chǎn)生電流（或電壓）信號，信號讀取十分簡單，還能同時處理各單元的圖像信息，速度也比CCD快很多。CCD制作技術(shù)起步早，技術(shù)成熟，采用PN結(jié)或二氧化硅（SiO2）隔離層隔離噪聲，成像質(zhì)量相對CMOS有一定優(yōu)勢。由于CMOS集成度高，各光電傳感元件、電路之間距離很近，相互之間的光、電、磁干擾較嚴(yán)重，噪聲對圖像質(zhì)量影響很大，使CMOS很長一段時間無法投入實用。近幾年，隨著CMOS電路消噪技術(shù)的不斷發(fā)展，CMOS的性能已經(jīng)與CCD相差無幾了。
CCD與CMOS傳感器的性能比較
ISO感光度：由于CMOS每個像素由四個晶體管與一個感光二極管構(gòu)成，還包含了放大器與數(shù)模轉(zhuǎn)換電路，過多的額外設(shè)備縮小了單一像素感光區(qū)域的表面積，因此相同像素下，同樣的尺寸，CMOS的感光度會低于CCD。
分辨率：由于CMOS傳感器的每個像素都比CCD傳感器復(fù)雜，其像素尺寸很難達(dá)到CCD傳感器的水平，因此，當(dāng)我們比較相同尺寸的CCD與CMOS時，CCD傳感器的分辨率通常會優(yōu)于CMOS傳感器。
噪點：由于CMOS每個感光二極管都需搭配一個放大器，如果以百萬像素計，那么就需要百萬個以上的放大器，而放大器屬于模擬電路，很難讓每個放大器所得到的結(jié)果保持一致，因此與只有一個放大器放在芯片邊緣的CCD傳感器相比，CMOS傳感器的噪點就會增加很多，影響圖像品質(zhì)。
耗電量：CMOS傳感器的圖像采集方式為主動式，感光二極管所產(chǎn)生的電荷會直接由旁邊的電晶體做放大輸出；而CCD傳感器為被動式采集，必須外加電壓讓每個像素中的電荷移動至傳輸通道。而這外加電壓通常需要12~18V，因此CCD還必須有更精密的電源線路設(shè)計和耐壓強(qiáng)度，高驅(qū)動電壓使CCD的耗電量遠(yuǎn)高于CMOS。CMOS的耗電量僅為CCD的1/8到1/10。
成本：由于CMOS傳感器采用一般半導(dǎo)體電路最常用的CMOS工藝，可以輕易地將周邊電路（如AGC、CDS、Timing generator或DSP等）集成到傳感器芯片中，因此可以節(jié)省外圍芯片的成本；而CCD采用電荷傳遞的方式傳送數(shù)據(jù)，只要其中有一個像素不能運行，就會導(dǎo)致一整排的數(shù)據(jù)不能傳送，因此控制CCD傳感器的成品率比CMOS傳感器困難許多，即使有經(jīng)驗的廠商也很難在產(chǎn)品問世的半年內(nèi)突破50%的水平，因此，CCD傳感器的制造成本會高CMOS傳感器。
CCD與CMOS傳感器的前景
CCD在影像品質(zhì)等方面均優(yōu)于CMOS，而CMOS則具有低成本、低功耗、以及高整合度的特點。不過，隨著CCD與CMOS傳感器技術(shù)的進(jìn)步，兩者的差異將逐漸減小，新一代的CCD傳感器一直在功耗上作改進(jìn)，而CMOS傳感器則在改善分辨率與靈敏度方面的不足。相信不斷改進(jìn)的CCD與CMOS傳感器將為我們帶來更加美好的數(shù)碼影像世界。
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