CCD和COMS之比较.doc

感光元件 CCD及CMOS对比介绍1CCD和CMOS物理结构区别CCD 英文全名 Charge Coupled Device，感光耦合元件，CCD为数码相机中可记录光线变化的半导体，通常以百万像素megapixel为单位。数码相机规格中的多少百万像素，指的就是CCD的解析度，也代表着这台数位相机的 CCD 上有多少感光元件。 CCD 主要材质为硅晶半导体，基本原理类似 CASIO 计算机上的太阳能电池，透过光电效应，由感光元件表面感应来源光线，从而转换成储存电荷的能力。CCD 元件上安排有通道线路，将这些电荷传输至放大解码原件，就能还原 所有CCD上感光元件产生的信号，并构成了一幅完整的画面。CMOS 英文全名 Complementary Metal-Oxide Semiconductor，互补性氧化金属半导体，CMOS和CCD一样同为在数码相机中可记录光线变化的半导体 ，外观上几乎无分轩轾。但，CMOS的制造技术和CCD 不同，反而比较接近一般电脑晶片。CMOS的材质主要是利用硅和锗这两种元素所做成的半导体，使其在CMOS上共存着带N（带 电） 和 P（带 + 电）级的半导体，这两个互补效应所产生的电流即可被处理晶片纪录和解读成影像。图1CCD与COMS原件实物图2CCD与CMOS结构对比CMOS 对抗 CCD的优势在于成本低，耗电需求少, 便于制造, 可以与影像处理电路同处于一个晶片上。但由于上述的缺点，CMOS 只能在经济型的数码相机市场中生存。 比较 CCD 和 CMOS 的结构，放大器的位置和数量是最大的不同之处,简单地解释：CCD 每曝光一次，自快门关闭或是内部时脉自动断线（电子快门）后，即进行像素转移处理，将每一行中每一个像素（pixel）的电荷信号依序传入缓冲器（电荷储存器）中，由底端的线路导引输出至 CCD 旁的放大器进行放大，再串联 ADC（类比数字模拟转换器） 输出；相对地，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。CCD 与 CMOS 感光元件之优缺点比较.CCDCMOS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小 灵敏度低成本高低解析度结构复杂度低解析度高传统技术较低噪声多元放大器 噪声低误差大 噪声高耗能比需外加电压导出电荷，耗能高像素直接放大，耗能低反应速度慢快由于构造上的基本差异，我们可以看出CCD和CMOS在性能上的不同：CCD的特色在于充分保持信号在传输时不失真（专属通道设计），透过每一个像素集合至单一放大器上再做统一处理，可以保持信号的完整性；CMOS的制造较简单，没有专属通道的设计，因此必须先行放大再整合各个像素的信号。3CCD与CMOS成像效果对比整体来说，CCD 与 CMOS 两种设计的应用，反应在成像效果上，形成包括 ISO 感光度、制造成本、解析度、噪声与耗电量等，不同类型的差异对比如下：ISO感光度差异：由于 CMOS 每个像素包含了放大器与A/D转换电路，过多的额外设备压缩单一像素的感光区域的表面积，因此在相同像素下，同样大小之感光器尺寸，CMOS的感光度会低于CCD。成本差异：CMOS 应用半导体工业常用的 MOS工艺，可以一次整合全部周边设施于单晶片中，节省加工晶片所需负担的成本和效率的损失；相对地 CCD 采用电荷传递的方式输出，必须另开传输通道，如果通道中有一个像素故障（Fail），就会导致一整排的信号壅塞，无法传递，因此CCD的效率比CMOS低，加上另开传输通道和外加 ADC 等周边，CCD的制造成本相对高于CMOS。解析度差异：在第一点感光度差异中，由于 CMOS 每个的结构比 CCD 复杂，其感光开口不及CCD大，相对比较相同尺寸的CCD与CMOS感光器时，CCD感光器的解析度通常会优于CMOS。不过，如果跳脱尺寸限制，目前业界的CMOS 感光原件已经可达到1400万 像素 / 全片幅的设计，CMOS 技术在量率上的优势可以克服大尺寸感光原件制造上的困难，特别是全片幅 24mm-by-36mm 这样的大小。噪声差异：由于CMOS每个感光二极体旁都搭配一个 ADC 放大器，如果以百万像素计，那么就需要百万个以上的 ADC 放大器，虽然是统一制造下的产品，但是每个放大器或多或少都有些微的差异存在，很难达到放大同步的效果，对比单个放大器的CCD，CMOS最终计算出的噪声就比较多。耗电量差异：CMOS的影像电荷驱动方式为主动式，感光二极体所产生的电荷会直接由旁边的电晶体做放大输出；但CCD却为被动式，必须外加电压让每个像素中的电荷移动至传输通道。而这外加电压通常需要12伏特（V）以上的水平，因此 CCD 还必须要有更精密的电源线路设计和耐压强度，高驱动电压使 CCD 的电量远高于CMOS。电子快门：电子快门有两种Global shutter （全局快门）和 Rolling shutter（卷帘式快门） 。而CCD相机由于芯片的特性都为Global shutter。而CMOS芯片两种快门方式都有，但是大部分采用的还是Rolling shutter的。采用全局快门虽然会降低灵敏度，但是能在光源角度变化时响应，可以应用于拍摄高速运动物体。而滚动快门是一次对图像的一行作用曝光，在运动对象高速移动时这个滚动快门能扭曲最后的图像，产生拖尾或边缘不清晰的现像。尽管 CCD 在影像品质等各方面均优于CMOS，但不可否认的CMOS具有低成本、低耗电以及高整合度的特性。由