CCD和CMOS傳感器的原理及區(qū)別

1、CCD和CMOS傳感器的原理及區(qū)別一、CCD和CMOS物理結(jié)構(gòu)CCD 英文全名 Charge Coupled Device，感光耦合元件，CCD為數(shù)碼相機(jī)中可記錄光線(xiàn)變化的半導(dǎo)體，通常以百萬(wàn)像素megapixel為單位。數(shù)碼相機(jī)規(guī)格中的多少百萬(wàn)像素，指的就是CCD的解析度，也代表著這臺(tái)數(shù)位相機(jī)的 CCD 上有多少感光元件。CCD 主要材質(zhì)為硅晶半導(dǎo)體，基本原理類(lèi)似 CASIO 計(jì)算機(jī)上的太陽(yáng)能電池，透過(guò)光電效應(yīng)，由感光元件表面感應(yīng)來(lái)源光線(xiàn)，從而轉(zhuǎn)換成儲(chǔ)存電荷的能力。CCD 元件上安排有通道線(xiàn)路，將這些電荷傳輸至放大解碼原件，就能還原 所有CCD上感光元件產(chǎn)生的信號(hào)，并構(gòu)成了一幅完整的畫(huà)。CMO

2、S 英文全名 Complementary Metal-Oxide Semiconductor，互補(bǔ)性氧化金屬半導(dǎo)體，CMOS和CCD一樣同為在數(shù)碼相機(jī)中可記錄光線(xiàn)變化的半導(dǎo)體，外觀上幾乎無(wú)分軒輊。但CMOS的制造技術(shù)和CCD 不同，反而比較接近一般電腦晶片。CMOS的材質(zhì)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（帶正電）和P（帶負(fù)電）級(jí)的半導(dǎo)體，這兩個(gè)互補(bǔ)效應(yīng)所產(chǎn)生的電流即可被處理晶片紀(jì)錄和解讀成影。二、CMOS和CCD傳感器原理CCD與CMOS傳感器是當(dāng)前被普遍采用的兩種圖像傳感器，兩者都是利用感光二極管(photodiode)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，將圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，

3、而其主要差異是數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳送的方式不同。 這種轉(zhuǎn)換的原理與 “太陽(yáng)能電池”效應(yīng)相近，光線(xiàn)越強(qiáng)、電力越強(qiáng)；反之，光線(xiàn)越弱、電力也越弱的道理，將光影像轉(zhuǎn)換為電子數(shù)字信號(hào)。     比較 CCD 和 CMOS 的結(jié)構(gòu)，ADC的位置和數(shù)量是最大的不同。簡(jiǎn)單的說(shuō)，CCD每曝光一次，在快門(mén)關(guān)閉后進(jìn)行像素轉(zhuǎn)移處理，將每一行中每一個(gè)像素（pixel）的電荷信號(hào)依序傳入“緩沖器”中，由底端的線(xiàn)路引導(dǎo)輸出至 CCD 旁的放大器進(jìn)行放大，再串聯(lián) ADC 輸出；相對(duì)地，C

4、MOS 的設(shè)計(jì)中每個(gè)像素旁就直接連著 ADC（放大兼類(lèi)比數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換器），訊號(hào)直接放大并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。      由于構(gòu)造上的基本差異，我們可以看出兩者在性能上的表現(xiàn)之不同。CCD的特色在于充分保持信號(hào)在傳輸時(shí)不失真（專(zhuān)屬通道設(shè)計(jì)），透過(guò)每一個(gè)像素集合至單一放大器上再做統(tǒng)一處理，可以保持資料的完整性；CMOS的制程較簡(jiǎn)單，沒(méi)有專(zhuān)屬通道的設(shè)計(jì)，因此必須先行放大再整合各個(gè)像素的資料。 三、CMOS和CCD傳感器差異整體來(lái)說(shuō)，CCD 與 CMOS 兩種設(shè)計(jì)的應(yīng)用，反應(yīng)在成像效果上，形成包括 

5、;ISO 感光度、制造成本、解析度、噪點(diǎn)與耗電量等，不同類(lèi)型的差異。工作原理差異：CCD在工作時(shí)，上百萬(wàn)個(gè)像素感光后會(huì)生成上百萬(wàn)個(gè)電荷，所有的電荷全部經(jīng)過(guò)一個(gè)“放大器”進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)變，形成電子信號(hào)，因此，這個(gè)“放大器”就成為了一個(gè)制約圖像處理速度的“瓶頸”，所有電荷由單一通道輸出，就像千軍萬(wàn)馬從一座橋上通過(guò)，當(dāng)數(shù)據(jù)量大的時(shí)候就發(fā)生信號(hào)“擁堵”，而百萬(wàn)像素高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)格式卻恰恰需要在短時(shí)間內(nèi)處理大量數(shù)據(jù)，因此，在安防監(jiān)控產(chǎn)品中使用單CCD無(wú)法滿(mǎn)足高速讀取高清數(shù)據(jù)的需要。而CMOS則不同，每個(gè)像素點(diǎn)都有一個(gè)單獨(dú)的放大器轉(zhuǎn)換輸出，因此CMOS沒(méi)有CCD的“瓶頸”問(wèn)題，能夠在短時(shí)間內(nèi)處理大量

6、數(shù)據(jù)，輸出高清影像，因此也能都滿(mǎn)足高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的需求。     ISO 感光度差異：由于 CMOS 每個(gè)像素包含了放大器與A/D轉(zhuǎn)換電路，過(guò)多的額外設(shè)備壓縮單一像素的感光區(qū)域的表面積，因此 相同像素下，同樣大小之感光器尺寸，CMOS的感光度會(huì)低于CCD。      成本差異：CMOS 應(yīng)用半導(dǎo)體工業(yè)常用的 MOS制程，可以一次整合全部周邊設(shè)施于單晶片中，節(jié)省加工晶片所需負(fù)擔(dān)的成本和良率的損失；相對(duì)地 CCD 采用電荷傳遞的方

7、式輸出資訊，必須另辟傳輸通道，如果通道中有一個(gè)像素故障（Fail），就會(huì)導(dǎo)致一整排的訊號(hào)壅塞，無(wú)法傳遞，因此CCD的良率比CMOS低，加上另辟傳輸通道和外加 ADC 等周邊，CCD的制造成本相對(duì)高于CMOS。     解析度差異：在第一點(diǎn)“感光度差異”中，由于 CMOS 每個(gè)像素的結(jié)構(gòu)比 CCD 復(fù)雜，其感光開(kāi)口不及CCD大， 相對(duì)比較相同尺寸的CCD與CMOS感光器時(shí)，CCD感光器的解析度通常會(huì)優(yōu)于CMOS。不過(guò)，如果跳脫尺寸限制，目前業(yè)界的CMOS 感光原件已經(jīng)可達(dá)到14

8、00萬(wàn) 像素 / 全片幅的設(shè)計(jì)，CMOS 技術(shù)在良率上的優(yōu)勢(shì)可以克服大尺寸感光原件制造上的困難，特別是全片幅 24mm-by-36mm 這樣的大小。    噪點(diǎn)差異：由于CMOS每個(gè)感光二極體旁都搭配一個(gè) ADC 放大器，如果以百萬(wàn)像素計(jì)，那么就需要百萬(wàn)個(gè)以上的 ADC 放大器，雖然是統(tǒng)一制造下的產(chǎn)品，但是每個(gè)放大器或多或少都有些微的差異存在，很難達(dá)到放大同步的效果，對(duì)比單一一個(gè)放大器的CCD，CMOS最終計(jì)算出的噪點(diǎn)就比較多。    

9、  耗電量差異：CMOS的影像電荷驅(qū)動(dòng)方式為主動(dòng)式，感光二極體所產(chǎn)生的電荷會(huì)直接由旁邊的電晶體做放大輸出；但CCD卻為被動(dòng)式， 必須外加電壓讓每個(gè)像素中的電荷移動(dòng)至傳輸通道。而這外加電壓通常需要12伏特（V）以上的水平，因此 CCD 還必須要有更精密的電源線(xiàn)路設(shè)計(jì)和耐壓強(qiáng)度，高驅(qū)動(dòng)電壓使 CCD 的電量大約是CMOS的3到10倍。CCD礙于原理特性，無(wú)法與時(shí)序電路、控制電路、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換等相關(guān)芯片電路一同整合封裝，而CMOS卻可以，因此在功能體積上CMOS能比CCD更小。CMOS光電傳感器在節(jié)能方面具有很大優(yōu)勢(shì)，使得攝像機(jī)的體積也就做得更小。四、CMOS和CCD傳感器的應(yīng)用CCD 在影像品質(zhì)等各方面均優(yōu)于CMOS，但不可否認(rèn)的CMOS具有低成本、低耗電以及高整合度的特性。由于數(shù)碼影像的需求熱烈，CMOS的低成