CCD和CMOS傳感器的原理及區(qū)別

1、CCD和CMOS傳感器的原理及區(qū)別一、CCD和CMOS物理結構CCD 英文全名 Charge Coupled Device，感光耦合元件，CCD為數(shù)碼相機中可記錄光線變化的半導體，通常以百萬像素megapixel為單位。數(shù)碼相機規(guī)格中的多少百萬像素，指的就是CCD的解析度，也代表著這臺數(shù)位相機的 CCD 上有多少感光元件。CCD 主要材質為硅晶半導體，基本原理類似 CASIO 計算機上的太陽能電池，透過光電效應，由感光元件表面感應來源光線，從而轉換成儲存電荷的能力。CCD 元件上安排有通道線路，將這些電荷傳輸至放大解碼原件，就能還原 所有CCD上感光元件產(chǎn)生的信號，并構成了一幅完整的畫。CMO

2、S 英文全名 Complementary Metal-Oxide Semiconductor，互補性氧化金屬半導體，CMOS和CCD一樣同為在數(shù)碼相機中可記錄光線變化的半導體，外觀上幾乎無分軒輊。但CMOS的制造技術和CCD 不同，反而比較接近一般電腦晶片。CMOS的材質主要是利用硅和鍺這兩種元素所做成的半導體，使其在CMOS上共存著帶N（帶正電）和P（帶負電）級的半導體，這兩個互補效應所產(chǎn)生的電流即可被處理晶片紀錄和解讀成影。二、CMOS和CCD傳感器原理CCD與CMOS傳感器是當前被普遍采用的兩種圖像傳感器，兩者都是利用感光二極管(photodiode)進行光電轉換，將圖像轉換為數(shù)字數(shù)據(jù)，

3、而其主要差異是數(shù)字數(shù)據(jù)傳送的方式不同。 這種轉換的原理與 “太陽能電池”效應相近，光線越強、電力越強；反之，光線越弱、電力也越弱的道理，將光影像轉換為電子數(shù)字信號。     比較 CCD 和 CMOS 的結構，ADC的位置和數(shù)量是最大的不同。簡單的說，CCD每曝光一次，在快門關閉后進行像素轉移處理，將每一行中每一個像素（pixel）的電荷信號依序傳入“緩沖器”中，由底端的線路引導輸出至 CCD 旁的放大器進行放大，再串聯(lián) ADC 輸出；相對地，C

4、MOS 的設計中每個像素旁就直接連著 ADC（放大兼類比數(shù)字信號轉換器），訊號直接放大并轉換成數(shù)字信號。      由于構造上的基本差異，我們可以看出兩者在性能上的表現(xiàn)之不同。CCD的特色在于充分保持信號在傳輸時不失真（專屬通道設計），透過每一個像素集合至單一放大器上再做統(tǒng)一處理，可以保持資料的完整性；CMOS的制程較簡單，沒有專屬通道的設計，因此必須先行放大再整合各個像素的資料。 三、CMOS和CCD傳感器差異整體來說，CCD 與 CMOS 兩種設計的應用，反應在成像效果上，形成包括 

5、;ISO 感光度、制造成本、解析度、噪點與耗電量等，不同類型的差異。工作原理差異：CCD在工作時，上百萬個像素感光后會生成上百萬個電荷，所有的電荷全部經(jīng)過一個“放大器”進行電壓轉變，形成電子信號，因此，這個“放大器”就成為了一個制約圖像處理速度的“瓶頸”，所有電荷由單一通道輸出，就像千軍萬馬從一座橋上通過，當數(shù)據(jù)量大的時候就發(fā)生信號“擁堵”，而百萬像素高清網(wǎng)絡攝像機格式卻恰恰需要在短時間內(nèi)處理大量數(shù)據(jù)，因此，在安防監(jiān)控產(chǎn)品中使用單CCD無法滿足高速讀取高清數(shù)據(jù)的需要。而CMOS則不同，每個像素點都有一個單獨的放大器轉換輸出，因此CMOS沒有CCD的“瓶頸”問題，能夠在短時間內(nèi)處理大量

6、數(shù)據(jù)，輸出高清影像，因此也能都滿足高清網(wǎng)絡攝像機的需求。     ISO 感光度差異：由于 CMOS 每個像素包含了放大器與A/D轉換電路，過多的額外設備壓縮單一像素的感光區(qū)域的表面積，因此 相同像素下，同樣大小之感光器尺寸，CMOS的感光度會低于CCD。      成本差異：CMOS 應用半導體工業(yè)常用的 MOS制程，可以一次整合全部周邊設施于單晶片中，節(jié)省加工晶片所需負擔的成本和良率的損失；相對地 CCD 采用電荷傳遞的方

7、式輸出資訊，必須另辟傳輸通道，如果通道中有一個像素故障（Fail），就會導致一整排的訊號壅塞，無法傳遞，因此CCD的良率比CMOS低，加上另辟傳輸通道和外加 ADC 等周邊，CCD的制造成本相對高于CMOS。     解析度差異：在第一點“感光度差異”中，由于 CMOS 每個像素的結構比 CCD 復雜，其感光開口不及CCD大， 相對比較相同尺寸的CCD與CMOS感光器時，CCD感光器的解析度通常會優(yōu)于CMOS。不過，如果跳脫尺寸限制，目前業(yè)界的CMOS 感光原件已經(jīng)可達到14

8、00萬 像素 / 全片幅的設計，CMOS 技術在良率上的優(yōu)勢可以克服大尺寸感光原件制造上的困難，特別是全片幅 24mm-by-36mm 這樣的大小。    噪點差異：由于CMOS每個感光二極體旁都搭配一個 ADC 放大器，如果以百萬像素計，那么就需要百萬個以上的 ADC 放大器，雖然是統(tǒng)一制造下的產(chǎn)品，但是每個放大器或多或少都有些微的差異存在，很難達到放大同步的效果，對比單一一個放大器的CCD，CMOS最終計算出的噪點就比較多。    

9、  耗電量差異：CMOS的影像電荷驅動方式為主動式，感光二極體所產(chǎn)生的電荷會直接由旁邊的電晶體做放大輸出；但CCD卻為被動式， 必須外加電壓讓每個像素中的電荷移動至傳輸通道。而這外加電壓通常需要12伏特（V）以上的水平，因此 CCD 還必須要有更精密的電源線路設計和耐壓強度，高驅動電壓使 CCD 的電量大約是CMOS的3到10倍。CCD礙于原理特性，無法與時序電路、控制電路、模擬數(shù)字轉換等相關芯片電路一同整合封裝，而CMOS卻可以，因此在功能體積上CMOS能比CCD更小。CMOS光電傳感器在節(jié)能方面具有很大優(yōu)勢，使得攝像機的體積也就做得更小。四、CMOS和CCD傳感器的應用CCD 在影像品質等各方面均優(yōu)于CMOS，但不可否認的CMOS具有低成本、低耗電以及高整合度的特性。由于數(shù)碼影像的需求熱烈，CMOS的低成