《机器视觉实用教程》-第六章 相机-6.5 CCD与CMOS的区别

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《机器视觉实用教程》-第六章 相机-6.5 CCD与CMOS的区别

6.5 CCD与CMOS的区别

项目	CCD	CMOS	主要原因
灵敏度	高	低	由于CMOS传感器的每个象素至少由一个感光二极管、一个放大器与一个A/D转换电路构成，使得每个象素的感光区域远小于象素本身的表面积，因此在象素尺寸相同的情况下，CMOS传感器的灵敏度要低于CCD传感器，随着工艺的改善，如背照式COMS，灵敏度有较大的改善。
成本	高	低	由于CMOS传感器采用一般半导体电路最常用的CMOS工艺，可以轻易地将周边电路，如AGC（Automatic Gain Control自动增益控制）、CDS（Correlated Double Sampling相关双取样电路）、Timing  generator定时器、DSP等，集成到传感器芯片中，因此可以节省外围芯片的成本；除此之外，由于CCD采用电荷传递的方式传送数据，只要其中有一个像素不能运行，就会导致一整排的数据不能传送，因此控制CCD传感器的成品率比CMOS传感器困难许多，即使有经验的厂商也很难在产品问世的半年内突破  50%的水平，因此，CCD传感器的成本会高于CMOS传感器。目前全球有生产CCD能力的厂商有名的只有SONY和柯达（柯达已经破产），而生产CMOS图像芯片的工厂，则遍地都是，如索尼、东芝、Aptina、OMNI、美光等等，只要是做半导体的，基本都可以做CMOS图像传感器。
分辨率	高	低	CMOS传感器的每个象素都比CCD传感器复杂，其象素尺寸很难达到CCD传感器的水平，因此，当我们比较相同尺寸的CCD与CMOS传感器时，CCD传感器的分辨率通常会优于CMOS传感器的水平。随着时间的推移，CMOS也在改进其工艺，从最近两三年的应用来看CMOS有超越CCD的趋势。同样的500万像素的工业相机，一般的CCD是做成2/3’的，而CMOS则只做成1/2.5’。而民用几千万像素的单反相机，也是普通采用CMOS芯片。而像当前顶级5000万像素的相机，就是CMOS芯片的。1000万像素、1500万像素小靶面的相机，还有就是手机摄像头上的芯片，也都是CMOS芯片。
噪声	低	高	由于CMOS传感器的每个感光二极管都需搭配一个放大器，而放大器属于模拟电路，很难让每个放大器所得到的结果保持一致，因此与只有一个放大器放在芯片边缘的CCD传感器相比，CMOS传感器的噪声就会增加很多，影响图像品质。同上面的几点类似，CMOS工艺改进很快，背照式CMOS的噪声控制已经相当好了，因此现在大部分的1/2.3’级别的数码相机，都是是使用CMOS。而手机上的几百万像素、上千万像素的摄像头，也是使用CMOS。
成像质量	高	低	CCD相机因为使用了同一个AD以及放大器。因此像素之间的均匀性比较好。同时CCD一般都是采用全局快门，而CMOS则是采用了卷帘快门，因此CCD不仅适用于静态图像的表现，同时也适用于动态图像的拍摄，而不会产生倾斜现象（果冻效应）。就目前技术来讲，同样的500万像素传感器，CCD通常为2/3’的，而CMOS则为1/2.5’的，CCD的面积要大于CMOS，所以其像素也要大，获得的光照也就更多，图像质量也会要好。这个也只是相对的，随着时间的推移，CMOS品质也在改善，成像质量也有比较好的改善。
功耗	高	低	CMOS传感器的图像采集方式为主动式，感光二极管所产生的电荷会直接由晶体管放大输出，但CCD传感器为被动式采集，需外加电压让每个象素中的电荷移动，而此外加电压通常需要达到12~18V；因此，CCD传感器除了在电源管理电路设计上的难度更高之外(需外加  Power IC)，高驱动电压更使其功耗远高于CMOS传感器的水平。
整合度	低	高	同成本的原因基本类似。
帧率	低	高	CCD因为它的模数转换与放大都是在最后才进行的，因此需要将所有的数据读取后再进行操作，因此其采集一次的时间是会比较长的。而CMOS因为其可以针对每一个像素进行操作，类似于所有像素是并行的。因此其速度会快许多。如民用的1600万像素的相机，CCD的最强大的连拍速度可能只有4FPS，而CMOS的相机，则可以做到10FPS以上。
运动响应	高	低	一般的CCD都是全局快门，所有的像素是同时曝光的，因此其不会有倾斜果冻现象，可以适用于高速运动的物体拍摄。而一般的CMOS，则是卷帘快门，像素是从一个方向到另一个方向连续曝光的，因此会有“果冻”现象——垂直物体会被拍摄成倾斜的。而如果是全局CMOS，就和CCD的效果一样，也可以适用运动环境拍摄。
动态范围	低	高	CMOS受益于其每个像素上的独立放大器与AD转换器，因此其可以获得更高的动态范围，特别是新型的CMOS传感器，如背照式等。动态范围反应了传感器在很暗与很亮环境下的响应能力。

上面谈到的这些比较因素，都是在一定时代背景下比较的。因此不一定具有延续性。2008年时，大家买的数码相机可能都还是CCD芯片的，当08年6月索尼公布了新的背照式CMOS（即Exmor R）后，后面新出品的数码相机，则逐渐过度到了CMOS芯片。目前包括数码相机、单反、微单微电、手机摄像头等，几乎清一色的CMOS芯片，而工业相机领域，也有大量的CMOS工业相机面世。由此可以预计，CMOS芯片大有统一图像芯片的趋势。目前比较有代表性的一些技术有索尼的背照式CMOS，松下的LIVEMOS，适马的Foveon X3，富士的X-Trans CMOS等。而SONY更是宣布将于2025年停产CCD芯片。安森美半导体ON Semiconductor（“OnSemi”/前身为TrueSense / Kodak/Apitna）宣布于2020年3月18日起不再承接CCD传感器订单，之后将停止CCD传感器生产并关闭美国罗切斯特工厂。现阶段还在坚持生产CCD的可能只有夏普Sharp了，但是也只有一些小分辨率的产品，基本上分布于30-500万像素之间。

图6 背照式CMOS

图6 背照式CMOS

图7 Live mos

图7 Live mos

图8 Foveon X3

图8 Foveon X3

图9 X-Trans CMOS

图9 X-TransCMOS

    其中Foveon X3是利用不同波长的穿透性安置了三层分别感应RGB的像素，因此它只适用于彩色相机。同样的，X-Ttrans因为改善了RGB的布局，由2×2的阵列变成了6×6的阵列，可以有效的减少摩尔纹，省去了低通滤波器，也只能用于彩色相机。而对于背照式CMOS和Live MOS的结构，其不仅可用于彩色相机，也可以用于黑白相机。因为他们是从像素填充率上来考虑的。可以在相同的面积上获得更多的光照。