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[原创] 《机器视觉实用教程》-第六章 相机-6.5 CCD与CMOS的区别

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    [LV.Master]2000FPS

    发表于 2020-4-22 11:49:08 | 显示全部楼层 |阅读模式
    《机器视觉实用教程》-第六章 相机-6.5 CCDCMOS的区别

    6.5 CCD与CMOS的区别
      
    项目
      
    CCD
    CMOS
    主要原因
      
    灵敏度
      
    由于CMOS传感器的每个象素至少由一个感光二极管、一个放大器与一个A/D转换电路构成,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,随着工艺的改善,如背照式COMS,灵敏度有较大的改善。
      
    成本
      
    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AGCAutomatic Gain Control自动增益控制)、CDSCorrelated Double Sampling相关双取样电路)、Timing  generator定时器、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,只要其中有一个像素不能运行,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。目前全球有生产CCD能力的厂商有名的只有SONY和柯达(柯达已经破产),而生产CMOS图像芯片的工厂,则遍地都是,如索尼、东芝、AptinaOMNI、美光等等,只要是做半导体的,基本都可以做CMOS图像传感器。
      
    分辨率
      
    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CCDCMOS传感器时,CCD传感器的分辨率通常会优于CMOS传感器的水平。随着时间的推移,CMOS也在改进其工艺,从最近两三年的应用来看CMOS有超越CCD的趋势。同样的500万像素的工业相机,一般的CCD是做成2/3’的,而CMOS则只做成1/2.5’。而民用几千万像素的单反相机,也是普通采用CMOS芯片。而像当前顶级5000万像素的相机,就是CMOS芯片的。1000万像素、1500万像素小靶面的相机,还有就是手机摄像头上的芯片,也都是CMOS芯片。
      
    噪声
      
    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。同上面的几点类似,CMOS工艺改进很快,背照式CMOS的噪声控制已经相当好了,因此现在大部分的1/2.3’级别的数码相机,都是是使用CMOS。而手机上的几百万像素、上千万像素的摄像头,也是使用CMOS
      
    成像质量
      
    CCD相机因为使用了同一个AD以及放大器。因此像素之间的均匀性比较好。同时CCD一般都是采用全局快门,而CMOS则是采用了卷帘快门,因此CCD不仅适用于静态图像的表现,同时也适用于动态图像的拍摄,而不会产生倾斜现象(果冻效应)。就目前技术来讲,同样的500万像素传感器,CCD通常为2/3’的,而CMOS则为1/2.5’的,CCD的面积要大于CMOS,所以其像素也要大,获得的光照也就更多,图像质量也会要好。这个也只是相对的,随着时间的推移,CMOS品质也在改善,成像质量也有比较好的改善。
      
    功耗
      
    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。
      
    整合度
      
    同成本的原因基本类似。
      
    帧率
      
    CCD因为它的模数转换与放大都是在最后才进行的,因此需要将所有的数据读取后再进行操作,因此其采集一次的时间是会比较长的。而CMOS因为其可以针对每一个像素进行操作,类似于所有像素是并行的。因此其速度会快许多。如民用的1600万像素的相机,CCD的最强大的连拍速度可能只有4FPS,而CMOS的相机,则可以做到10FPS以上。
      
    运动响应
      
    一般的CCD都是全局快门,所有的像素是同时曝光的,因此其不会有倾斜果冻现象,可以适用于高速运动的物体拍摄。而一般的CMOS,则是卷帘快门,像素是从一个方向到另一个方向连续曝光的,因此会有“果冻”现象——垂直物体会被拍摄成倾斜的。而如果是全局CMOS,就和CCD的效果一样,也可以适用运动环境拍摄。
      
    动态范围
      
    CMOS受益于其每个像素上的独立放大器与AD转换器,因此其可以获得更高的动态范围,特别是新型的CMOS传感器,如背照式等。动态范围反应了传感器在很暗与很亮环境下的响应能力。
    上面谈到的这些比较因素,都是在一定时代背景下比较的。因此不一定具有延续性。2008年时,大家买的数码相机可能都还是CCD芯片的,当08年6月索尼公布了新的背照式CMOS(即Exmor R)后,后面新出品的数码相机,则逐渐过度到了CMOS芯片。目前包括数码相机、单反、微单微电、手机摄像头等,几乎清一色的CMOS芯片,而工业相机领域,也有大量的CMOS工业相机面世。由此可以预计,CMOS芯片大有统一图像芯片的趋势。目前比较有代表性的一些技术有索尼的背照式CMOS,松下的LIVEMOS,适马的Foveon X3,富士的X-Trans CMOS等。而SONY更是宣布将于2025年停产CCD芯片。安森美半导体ON Semiconductor(“OnSemi”/前身为TrueSense / Kodak/Apitna)宣布于2020年3月18日起不再承接CCD传感器订单,之后将停止CCD传感器生产并关闭美国罗切斯特工厂。现阶段还在坚持生产CCD的可能只有夏普Sharp了,但是也只有一些小分辨率的产品,基本上分布于30-500万像素之间。
    6 背照式CMOS
    7 Live mos

    8 Foveon X3
    9 X-TransCMOS
        其中Foveon X3是利用不同波长的穿透性安置了三层分别感应RGB的像素,因此它只适用于彩色相机。同样的,X-Ttrans因为改善了RGB的布局,由2×2的阵列变成了6×6的阵列,可以有效的减少摩尔纹,省去了低通滤波器,也只能用于彩色相机。而对于背照式CMOSLive MOS的结构,其不仅可用于彩色相机,也可以用于黑白相机。因为他们是从像素填充率上来考虑的。可以在相同的面积上获得更多的光照。

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