CCD和CMOS摄像头成像原理以及其他区别

2012年5月15日 3点热度 0条评论 来源: ccwwff

CCD的第二层是分色滤色片,目前有两种分色方式,一是RGB原色分色法,另一个则是CMYG补色分色法,这两种方法各有利弊。不过以产量来看,原色和补色CCD的比例大约在2:1左右。原色CCD的优势在于画质锐利,色彩真实,但缺点则是噪声问题。因此一般采用原色CCD的DC,在ISO感光度上多半不会超过400。相对的补色CCD多了一个Y黄色滤色器,在色彩的分辨上比较仔细,但却牺牲了部分分辨率,而在ISO值上,补色CCD可以容忍较高的感度,一般都可设定在 800以上。(关于这两种分色方式见下图)

CCD的第三层是感光汇流片,这层主要是负责将穿透滤色层的光源转换成电子信号,并将信号传送到影像处理芯片,将影像还原。

最后说一下CMOS:

   CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor)即互补性金属氧化物半导体,其在微处理器、闪存和特定用途集成电路(ASIC)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作成的半导体,通过CMOS上带负电和带正电的晶体管来实现基本的功能的。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。

   因为CMOS结构相对简单,与现有的大规模集成电路生产工艺相同,从而生产成本可以降低。从原理上讲,CMOS的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,前者更为敏感,速度也更快,更为省电。现在高级的CMOS并不比一般CCD差,但目前CMOS技术发展还不成熟,这种高质量的CMOS还只应用于专业级别的数码相机上,许多低档入门型的数码相机使用的是廉价低档的CMOS,其成像质量比较差。最大的缺点就是太容易出现噪点, 这主要是因为早期的设计使CMOS在处理快速变化的影像时,由于电流变化过于频繁而会产生过热的现象。所以目前如果购买消费级数码相机还是要选择以CCD为影像传感器的。不过高端的单反相机还是以CMOS居多。

两者优缺点的比较

      CCD               CMOS 
   设计      单一感光器            感光器连接放大器 
   灵敏度    同样面积下高          感光开口小,灵敏度低 
   成本线路  品质影响程度高,         成本高    CMOS整合集成,成本低 
   解析度    连接复杂度低,解析度高     低,新技术高 
   噪点比    单一放大,噪点低         百万放大,噪点高 
   功耗比    需外加电压,功耗高       直接放大,功耗低

由于构造上的基本差异,我们可以表列出两者在性能上的表现之不同。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,可以保持资料的完整性;CMOS的制程较简单,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资料。

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、噪点与耗电量等,不同类型的差异:

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制程,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良率的损失;相对地 CCD 采用电荷传递的方式输出资讯,必须另辟传输通道,如果通道中有一个像素故障(Fail),就会导致一整排的讯号壅塞,无法传递,因此CCD的良率比CMOS低,加上另辟传输通道和外加 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 每个像素的结构比 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。

噪点差异: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,对比单一个放大器的CCD,CMOS最终计算出的噪点就比较多。

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。


来源1: CCD和CMOS摄像头的区别

来源2: 关于CCD/CMOS的成像原理-分色滤色片与CMOS的介绍

http://blog.csdn.net/hxembed/article/details/6228588

    原文作者:ccwwff
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