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CCD與CMOS的區別有哪些?

2019-10-22 13:34:11來源:太平洋安防網已被 3 人閱讀

內容摘要:視頻監控系統的核心技術部件是光學成像器件,而光學成像器件主要包括鏡頭及感光器件,目前感光器件主要是CCD和CMOS兩種。CCD(電
 視頻監控系統的核心技術部件是光學成像器件,而光學成像器件主要包括鏡頭及感光器件,目前感光器件主要是CCD和CMOS兩種。


CCD(電荷耦合器件)和CMOS(互補金屬氧化物半導體)圖像傳感器是用于獲取數字圖像的兩種不同器件。兩者都有優點和缺點,在不同的應用中具有各自的優勢。

關于CMOS相對于CCD的相對優勢,已有許多討論。辯論一直持續了很久,只是并沒有明確的結論。這并不奇怪,因為問題不是一成不變的。

技術和市場在發展,不僅影響技術上可行的東西,而且影響商業上可行的東西。成像器件的應用是多種多樣的,同時需求也在不斷變化。

首先,CCD和CMOS成像均依靠光電效應從光產生電信號,兩種類型的成像元件原理都是將光轉換成電荷并將其處理成電子信號。

在CCD傳感器中,每個像素的電荷都通過數量非常有限的輸出節點(通常只有一個)傳輸,然后轉換為電壓,進行緩沖并作為模擬信號在芯片外發送。所有像素均可用于光捕獲,并且輸出的均勻性(圖像質量的關鍵因素)很高。

在CMOS傳感器中,每個像素都有其自己的電荷到電壓的轉換,并且該傳感器通常還包括放大器,噪聲校正和數字化電路,以便芯片輸出數字信號。這些其他功能(較CCD而言)增加了設計復雜度,并減少了可用于捕獲光的面積。每個像素進行轉換時,均勻度會降低。

CCD和CMOS成像器都是在1960年代末和1970年代發明的。CCD在一開始占主導地位,主要是因為它們可以利用已有的制造技術提供出色的圖像。CMOS圖像傳感器需要更高的一致性和更小制造工藝,而當時的晶圓代工廠無法提供。

直到1990年代,光刻技術才發展到讓設計者可以考慮CMOS的地步。對CMOS的重新關注是基于對降低功耗,增加集成度以及通過復用主流邏輯和存儲器件降低制造成本等方面的考量。在投入了大量的時間、金錢和工藝改進后,CMOS在實際生產中滿足了上述期望,從而成為了成熟的主流技術。

在兩者共存的情況下,某些應用使用CMOS可以獲得更好的效果,而某些情況要使用CCD。通過比較不同的情況,我們可以理解其中的技術折衷以及一些成本的考量。

CCD與CMOS的視頻設備的成像

憑借更低的功耗和更高的集成度,更小的組件,CMOS成功在手機成像方面獲得青睞。為了開發和微調CMOS成像器及其制造工藝,半導體產業的上游企業投入了大量資金,隨著像素尺寸縮小,圖像質量有了很大提高。

因此,在消費電子領域和視頻監控領域,基于幾乎所有性能參數,CMOS成像的性能均優于CCD。

CCD與CMOS的機器視覺成像

在機器視覺中,得益于巨大的手機成像獲得投資后帶來的發展,于大多數機器視覺領域的面掃描和線掃描器件,CCD也是過去的技術了。

對于機器視覺,關鍵參數是速度和噪聲。CMOS和CCD成像的區別在于,信號從電荷轉換為模擬信號,最后轉換為數字信號的方式不同。

在CMOS中,數據路徑的前端高度并行。這允許每個放大器具有低帶寬。相反,高速CCD具有一定量的并行的輸出通道,但不如高速CMOS那樣擁有大量并行模擬前端,可以進行大規模并行處理。

但是,也存在例外情況。CCD在哪些情況下優于CMOS的表現呢?

CCD與CMOS的近紅外成像

要在近紅外光(700至1000nm波長)中成像,成像器需要具有較厚的光子吸收區域。這是因為紅外光子比硅中可見光子的吸收區位置要深。

大多數CMOS成像器制造工藝都針對僅在可見光中成像進行了調整。所以這些成像器對近紅外(NIR)不太敏感。如要增加基板厚度,改變摻雜水平,則會影響CMOS模擬和數字電路的工作。

CCD制造可以保證有較厚的基板厚度的同時,保留其正常的工作能力。所以,專門設計為在近紅外光中成像的CCD比CMOS敏感得多。

  CCD與CMOS的時延和積分成像

時延和積分(TDI)成像。通常用于機器視覺和遙感中,其操作與線掃描成像器非常相似,當被攝對象的圖像進行逐行掃描時,每行都會捕獲對象的快照。當信號非常微弱時,TDI有用,因為被攝對象的多個快照被加在一起,可以創建更強的信號。

當前,CCD和CMOS TDI對多個快照的疊加合并方式不同。CCD合并信號電荷,而CMOS TDI合并電壓信號。求和運算在CCD中無噪聲,但在CMOS中則不然。當CMOS TDI的行數超過一定數目時,來自求和操作的噪聲疊加,以至于先進的CMOS TDI也無法比普通CCD TDI獲得更少的噪聲。

  CCD與CMOS的電子倍增成像

電子倍增CCD(EMCCD)是一種CCD器件,其結構可以限制信號在倍增過程中增加的噪聲。這將導致凈信噪比(SNR)增益,所以在信號微弱的應用中,EMCCD可以檢測到幾于科學成像。因此EMCCD可用于超低信號應用,通常用于科學成像。

  CCD與CMOS的成本考慮

而實際情況中,對于許多業務決策而言,除去針對具體情況進行基于技術和性能的權衡,更多的是考慮所付出的價格所獲得的績效如何。

首先,開發和定制成本。CMOS成像器的開發通常更昂貴,因為CMOS使用更昂貴的深亞微米掩模。在CMOS器件中還需要設計更多的電路,所以CMOS器件的開發成本較高。

其次,數量決定生產成本。盡管開發新的CMOS成像器的成本較高,但是可以利用規模上的加大來降低的CMOS單位生產成本。在大批量生產應用情況中,較低的單位生產成本在財務上而言總體比較低的開發成本更為重要。

第三,供應穩定性很重要。圍繞可能停產的成像器件設計外圍電路,這非常可怕和昂貴的。所以必須選擇有能力長期生產成像器件的公司,目前CCD已經逐漸退出市場的情況下,CMOS。目前CCD逐漸退出市場的情況下,CMOS方案被越來越多的采用,穩定的供應幫助其成為了主流成像器件。

總結:CMOS成為主流

各種各樣的應用有不同的要求。這些要求帶來了影響性能和價格的約束。價格與性能之間的權衡,以及應用數量、供應穩定性都會影響對CMOS和CCD的選擇。由于存在這些復雜性,因此不可能對所有應用的CMOS和CCD成像做一個一般性的陳述。

但在大多數可見光成像應用中,CMOS成像的性能均優于CCD,這也是CMOS逐漸在大部分應用領域取代了CCD的原因。但是針對一些特殊情況,例如信號微弱時的時延和積分成像,近紅外光NIR成像,科學成像,CCD仍是更好的選擇。
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