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感光单元CCD和CMOS的区别

2011年5月28日 AEROFISH 1,388 views 发表评论 阅读评论

很多人买相机只关心多少万像素,却忽略了另一个重要参数——感光单元。感光单元也称为感光元件、图像传感器,有CCD和CMOS两种。

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。

如下图所示,CCD传感器中每一行中每一个象素的电荷数据都会依次传送到下一个象素中,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,每个象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。

左图为CCD传感器的结构,右图为CMOS传感器的结构

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,因此各个象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,再整合各个象素的数据。

由于数据传送方式不同,因此CCD与CMOS传感器在效能与应用上也有诸多差异,这些差异包括:

1. 灵敏度差异:由于CMOS传感器的每个象素由四个晶体管与一个感光二极管构成(含放大器与A/D转换电路),使得每个象素的感光区域远小于象素本身的表面积,因此在象素尺寸相同的情况下,CMOS传感器的灵敏度要低于CCD传感器。灵敏度也可理解为感光度。

2. 成本差异:由于CMOS传感器采用一般半导体电路最常用的CMOS工艺,可以轻易地将周边电路(如AGC、CDS、Timing generator、或DSP等)集成到传感器芯片中,因此可以节省外围芯片的成本;除此之外,由于CCD采用电荷传递的方式传送数据,只要其中有一个象素不能运行,就会导致一整排的数据不能传送,因此控制CCD传感器的成品率比CMOS传感器困难许多,即使有经验的厂商也很难在产品问世的半年内突破 50%的水平,因此,CCD传感器的成本会高于CMOS传感器。

3. 分辨率差异:如上所述,CMOS传感器的每个象素都比CCD传感器复杂,其象素尺寸很难达到CCD传感器的水平,因此,当我们比较相同尺寸的CCD与CMOS传感器时,CCD传感器的分辨率通常会优于CMOS传感器的水平。但是,由于制造工艺的不断提高,这方面的差异已经不明显了。

4. 噪声差异:由于CMOS传感器的每个感光二极管都需搭配一个放大器,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传感器相比,CMOS传感器的噪声就会增加很多,影响图像品质。

5. 功耗差异:CMOS传感器的图像采集方式为主动式,感光二极管所产生的电荷会直接由晶体管放大输出,但CCD传感器为被动式采集,需外加电压让每个象素中的电荷移动,而此外加电压通常需要达到12~18V;因此,CCD传感器除了在电源管理电路设计上的难度更高之外(需外加 power IC),高驱动电压更使其功耗远高于CMOS传感器的水平。

6. 其它差异:IPA(Indiviual Pixel Addressing)常被使用在数字变焦放大之中,CMOS 必须仰赖 x/y 画面定位放大处理,否则由于个别像素放大器之误差,容易产生画面不平整的问题。制造器具上,CCD 必须特别订制的机台才能制造,CMOS 的生产一般内存/处理器机台即可担负。

综上所述,CCD传感器在灵敏度、分辨率、噪声控制等方面都优于CMOS传感器,而CMOS传感器则具有低成本、低功耗、以及高整合度的特点。不过,随着CCD与CMOS传感器技术的进步,两者的差异逐渐缩小。

CCD CMOS 优缺点比较

  CCD CMOS
设计 单一感光器 感光器连结放大器
灵敏度 同样面积下较高 感光开口较小
成本 线路质量影响成品率高 整合成本较低
分辨率 结构复杂,分辨率高 目前差异不明显
噪声比 单一放大器主控,噪声比低 多元放大器,误差大,噪声比高
耗能比 需外加电压导出电荷,耗能高 像素直接放大,耗能低
反应速度
IPA(个别像素寻址)
制造器具 特殊订制 可以使用内存或处理器制造机

【资料参考:百度百科等】

【最后修改时间:2011年5月29日】

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