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文档简介
CCD与CMOS技术对比分析1 基本原理CCD的成像原理 CCD(Charge Coupled Device),中文名字叫电荷耦合器,是一种特殊的半导体材料。它由大量独立的光敏元件组成,这些光敏元件通常是按矩阵排列的。光线透过镜头照射到 CCD上,并被转换成电荷,每个元件上的电荷量取决于它所受到的光照强度。当你按动快门,CCD将各个元件的信息传送到模/数转换器上,模拟电信号经过模 /数转换器处理后变成数字信号,数字信号以一定格式压缩后存入缓存内,此时一张数码照片诞生了。然后图像数据根据不同的需要以数字信号和视频信号的方式输出。CMOS是怎样工作的 CMOS即互补金属氧化物半导体,它在微处理器、闪存和ASIC(特定用途集成电路)的半导体技术上占有绝对重要的地位。CMOS和CCD一样都是可用来感受光线变化的半导体。CMOS主要是利用硅和锗这两种元素所做成的半导体,通过CMOS上带负电和带正电的晶体管来实现基本的功能。这两个互补效应所产生的电流即可被处理芯片记录和解读成影像。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HDV格式却恰恰需要在短时间内处理大量数据,因此,在民用级产品中使用单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HDV的需求。CCD芯片CMOS芯片原理基于单晶硅技术基于MOS技术成品率低高功耗高低成本高低读取速度低高宽动态范围小大2 低照度随着技术的进步,发展出的半导体工艺BSI技术能彻底解决CMOS低照度下表现不佳的情况。BSI技术背面照射是能够消除CMOS传感器唯一的缺点灵敏度低的技术。传统CMOS传感器的光传感器(光电二极管)上面有3层等多层布线层,遮挡了部分入射光。因此,灵敏度比只有1层布线层的CCD传感器要低,只有后者的一半左右。而BSI型CMOS传感器的光传感器上面没有布线层(图2)。因为是从光传感器的背面(硅底板侧)采光。这样便能够防止遮挡入射光。 所以,可以获得与CCD相当甚至高于CCD的灵敏度。从而解决了CMOS的最后一个弱点。在2009年后,各大厂家就实现了向CMOS全面转型的计划。目前,CCD的领导者SONY推出的所有高清网络摄像机都是基于CMOS技术的。而且在最低照度要求已经优于CCD器件。SONY高清摄像机SNC-DH160 HD高清网络全能型半球摄像机 采用CMOS,最低照度:彩色0.50lx (IR ON)(F1.2/AGC 42dB/50IRE),黑白0 lx (IR ON)(F1.2/AGC 42dB/50IRE)SNC-DM160 百万像素智能网络半球摄像机,采用CCD感光器件,最低照度:彩色:0.8Ix,50IRE,F1.3,AGC 30dB ,黑白:0.15Ix,50IRE,F1.3,AGC 30dB3 宽动态应用自然光线的排列是从120000Lux到星光夜里的0.00035Lux。当摄像机从室内看窗户外面,室内照度为100Lux,而外面风景的照度可能是10000Lux,对比就是10000/100=100:1。这个对比人眼能很容易地看到,因为人眼能处理1000:1的对比度,然而传统的安防监控摄像机则不行,因为它只有3:1的对比性能。因此,它只能选择使用1/60秒的电子快门来取得室内目标的正确曝光,但是室外的影像会被清除掉(全白);或者换种方法摄像机选择1/6000秒取得室外影像完美的曝光,但是室内的影像会被清除(全黑)。所以必须采用宽动态(WDR)技术。采用多次曝光取样技术,其效果决定于其曝光取样次数。由于读取速度的限制,尽管宽动态CCD摄像机与传统CCD摄像机相比,在技术上有了一次次突破,现在已发展到第三代CCD宽动态摄像机,宽动态范围也达到了160倍,或说54dB。而采用五次取样方式,CCD宽动态摄像机的动态范围最多也只能达到66dB。而在CMOSDSP技术中,每个像素实际上都是一部独立的照相机,可独立控制各自的曝光过程。这样,捕捉物体较亮色调的像素就会在达到饱和之前停止收集光子,而捕捉较暗色调的像素也可以根据需要不断地收集光子,直到它们的信噪比足以准确呈现这些色调为止。同时,中间色调的显示效果也会得到保障,因为对它们进行捕捉的像素也会根据需要精确控制曝光时间,再也不必使用多次曝光得出的数据进行数学“猜测”。因此,CMOS-DPS可得到最大的动态范围120dB。对于同样的场景,采用CCD与CMOS宽动态技术拍摄的照片,左图为CCD拍摄,右图为CMOS拍摄。由上图看出,CMOS-DPS摄像机可以通过其超强的宽动态功能来获得高质量的图像,即可以达到比CCD更真实、更清晰的图像。参考文献:/secu/jsqy/2010/0917/4MMDAwMDIxNjc4Mw_2.html/dispbbs.asp?BoardID=51&replyID=238588&ID=365752&skin=1/productinfo/vs/13538.htmCCD与CMOS的5大差异CCD和CMOS是现在普遍采用的两种图像工艺技术,它们之间的主要差异在于传送方式的不同,用过相机的人肯定对这两个名词不会陌生,可是对它们之间的性能区别,却并不是很了解。这里将做简单的比较说明。 1、噪声差异:由于CMOS的每个感光二极管都需要搭配一个放大器,若以百万像素计算的话,那就需要上百万个的放大器,然而放大器属于模拟电路,很难让所得的每个结果都保持一致。而CCD只需要一个放大器放在芯片边缘,与CMOS相比,它的噪声相对减少很多,大大提高了图像品质。 2、耗电量差异:CMOS采用主动式图像采集方式,感光二极管所产生的电荷会直接由旁边的电晶体放大输出;而CCD为被动式采集方式,必须外加1218V的电压以使每个像素中的电荷移送到传输通道。因此CCD就必须设计更精密的电源线路和耐压强度,这样使得CCD的耗电量远远高出CMOS,根据计算CMOS的耗电量仅是CCD的1/81/10。 3、分辨率差异:由于CMOS的每个像素都比CCD复杂,且其像素尺寸很难达到CCD的水平,因此,当我们比较相同尺寸的CCD与CMOS时,CCD的分辨率通常会优于CMOS传感器的水平。例如,维视数字图像技术有限公司生产的4.40m*4.40m像元大小的CCD相机分辨率为1628*1236,而5.2m*5.2m像元大小的CMOS相机分辨率为1280*1024,对比结果明显得出:同尺寸大小,CCD的分辨率要高于CMOS,也就是说成像质量要优于CMOS。 4、灵敏度差异:因为CMOS信号是以点为单位的电荷信号,而CCD是以行为单位的电流信号,读取信号时 CMOS是点直接读取信号,CCD则是行间接读取信号,因此在像素尺寸相同的情况下,CMOS的灵敏度要低于CCD。 5、成本差异:由于CMOS与现有的大规模集成电路生产工艺相同,可以一次全部整合周边设施到传感器芯片中,大大节省了外围芯片的成本;而CCD采用电荷传递的方式输出数据,只要其中有一个像素传送出现故障,就会导致一整排的数据无法正常传送,因此控制CCD的成品率比CMOS困难许多,因此,CCD的制造成本就相对高于CMOS传感器。 总结: 虽然CCD在影
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