CCD和CMOS的區(qū)別--影像測量硬件選擇

瑞士丹青

有鑒于許多網(wǎng)友詢問 CCD 與 CMOS 的主要差別。我們暫時撇開復(fù)雜的技術(shù)文字,，透過簡單的比較來看這兩種不同類型,，作用相同的影像感光元件,。
　　不管，CCD 或 CMOS,，基本上兩者都是利用矽感光二極體（photodiode）進行光與電的轉(zhuǎn)換,。這種轉(zhuǎn)換的原理與各位手上具備“太陽電能”電子計算機的“太陽能電池”效應(yīng)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(zhuǎn)換為電子數(shù)字信號。

　　比較 CCD 和 CMOS 的結(jié)構(gòu),，ADC的位置和數(shù)量是最大的不同,。簡單的說，按我們在上一講“CCD 感光元件的工作原理（上）”中所提之內(nèi)容,。CCD每曝光一次,，在快門關(guān)閉后進行像素轉(zhuǎn)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(dǎo)輸出至 CCD 旁的放大器進行放大,，再串聯(lián) ADC 輸出；相對地,，CMOS 的設(shè)計中每個像素旁就直接連著 ADC（放大兼類比數(shù)字信號轉(zhuǎn)換器）,，訊號直接放大并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。



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兩者優(yōu)缺點的比較

5 C8 p$ F0 V6 mCCD CMOS
設(shè)計 單一感光器 感光器連接放大器
靈敏度 同樣面積下高 感光開口小,，靈敏度低
成本 線路品質(zhì)影響程度高,，成本高 CMOS整合集成，成本低
1 a8 F+ B/ H0 ?  o/ U解析度 連接復(fù)雜度低,，解析度高 低,，新技術(shù)高
噪點比 單一放大，噪點低 百萬放大,，噪點高
! C. j( x8 w" q功耗比 需外加電壓,，功耗高 直接放大，功耗低

　　由于構(gòu)造上的基本差異,，我們可以表列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(shè)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(shè)計，因此必須先行放大再整合各個像素的資料,。
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　　整體來說,，CCD 與 CMOS 兩種設(shè)計的應(yīng)用，反應(yīng)在成像效果上,，形成包括 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：

8 z; z7 c2 L+ K6 c; M　　ISO 感光度差異：由于 CMOS 每個像素包含了放大器與A/D轉(zhuǎn)換電路，過多的額外設(shè)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(yīng)用半導(dǎo)體工業(yè)常用的 MOS制程,，可以一次整合全部周邊設(shè)施于單晶片中，節(jié)省加工晶片所需負擔(dān)的成本 和良率的損失,；相對地 CCD 采用電荷傳遞的方式輸出資訊,，必須另辟傳輸通道，如果通道中有一個像素故障（Fail）,，就會導(dǎo)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,。
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  E4 }5 N) ~0 V/ t% O( [& E　　解析度差異：在第一點“感光度差異”中,，由于 CMOS 每個像素的結(jié)構(gòu)比 CCD 復(fù)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1400萬 像素 / 全片幅的設(shè)計，CMOS 技術(shù)在量率上的優(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,，對比單一個放大器的CCD,，CMOS最終計算出的噪點就比較多。
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7 w1 ]3 {& \2 ^9 r8 @7 a　　耗電量差異：CMOS的影像電荷驅(qū)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(shè)計和耐壓強度，高驅(qū)動電壓使 CCD 的電量遠高于CMOS,。

" l' j4 ?2 k( U* y  u# C8 n$ |　　盡管 CCD 在影像品質(zhì)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的低成本和穩(wěn)定供貨，成為廠商的最愛,，也因此其制造技術(shù)不斷地改良更新,，使得 CCD 與 CMOS 兩者的差異逐漸縮小 。新一代的CCD朝向耗電量減少作為改進目標(biāo),，以期進入照相手機的行動通訊市場,；CMOS系列，則開始朝向大尺寸面積與高速影像處理晶片統(tǒng)合,，藉由后續(xù)的影像處理修正噪點以及畫質(zhì)表現(xiàn),， 特別是 Canon 系列的 EOS D30 、EOS 300D 的成功,，足見高速影像處理晶片已經(jīng)可以勝任高像素 CMOS 所產(chǎn)生的影像處理時間與能力的縮短,；另外，大尺寸全片幅則以 Kodak DCS Pro14n,、DCS Pro/n,、DCS Pro/c 這一系列的數(shù)碼機身為號召，CMOS未來跨足高階的影像市場產(chǎn)品,，前景可期,。
    專業(yè)測量以及高級影像測量還是主要以CCD為主。

dagongwan

樓主知道的好清楚哦，我只知道CCD比CMOS成像質(zhì)量要好

瑞士丹青

過獎,！謝謝,！大家一起分享了