CCD与CMOS工业相机的对比

CCD与CMOS工业相机的对比图像传感器，是组成工业相机的重要组成部分。根据元件的不同，可分为CCD（ChargeCoupledDevice，电荷耦合元件）和CMOS（ComplementaryMetal-OxideSemiconductor，金属氧化物半导体元件）两大类。在上世纪末的25年里，CCD技术一直统领着图像传感器件的潮流，它是能集成在一块很小的芯片上的高分辨率和高质量图像传感器。然而，近些年来随着半导体制造技术的飞速发展，集成晶体管的尺寸越来越小，性能越来越好，CMOS图像传感器近年得到迅速发展，大有后来居上之势。CMOS在中端、低端应用领域提供了可以与CCD相媲美的性能，而在价格方面确实明显占有优势，随着技术的发展，CMOS在高端应用领域也将占据一席之地。本文将对CCD与CMOS相机的区别做出详细说明。1.成像过程CCD与CMOS图像传感器光电转换的原理相同，他们最主要的差别在于信号的读出过程不同；由于CCD仅有一个（或少数几个）输出节点统一读出，其信号输出的一致性非常好；而CMOS芯片中，每个像素都有各自的信号放大器，各自进行电荷-电压的转换，其信号输出的一致性较差。但是CCD为了读出整幅图像信号，要求输出放大器的信号带宽较宽，而在CMOS芯片中，每个像元中的放大器的带宽要求较低，大大降低了芯片的功耗，这就是CMOS芯片功耗比CCD要低的主要原因。尽管降低了功耗，但是数以百万的放大器的不一致性却带来了更高的固定噪声，这又是CMOS相对CCD的固有劣势。2.集成性从制造工艺的角度看，CCD中电路和器件是集成在半导体单晶材料商，工艺较复杂，世界上只有少数几家厂商能够生产CCD晶元，如DALSA、SONY、松下等。CCD仅能输出模拟电信号，需要后续的地址译码器、模拟转换器、图像信号处理器处理，并且还需要提供三组不同电压的电源同步时钟控制电路，集成度非常低。而CMOS是集成在被称作金属氧化物的版单体材料上，这种工艺与生产数以万计的计算机芯片和存储设备等半导体集成电路的工艺相同，因此声场CMOS的成本相对CCD低很多。同时CMOS芯片能将图像信号放大器、信号读取电路、A/D转换电路、图像信号处理器及控制器等集成到一块芯片上，只需一块芯片就可以实现相机的的所有基本功能，集成度很高，芯片级相机概念就是从这产生的。随着CMOS成像技术的不断发展，有越来越多的公司可以提供高品质的CMOS成像芯片，包括Micronvision、艾菲特等。3.速度CCD采用逐个光敏输出，只能按照规定的程序输出，速度较慢。CMOS有多个电荷-电压转换器和行列开关控制，读出速度快很多，目前大部分500fps以上的高速相机都是CMOS相机。此外CMOS的地址选通开关可以随机采样，实现子窗口输出，在仅输出子窗口图像时可以获得更高的速度。4.噪声CCD技术发展较早，比较成熟，采用PN结或二氧化硅（SiO2）隔离层隔离噪声，成像质量相对CMOS光电传感器有一定优势。由于CMOS图像传感器集成度高，各元件、电路之间距离很近，干扰比较严重，噪声对图像质量影响很大。近年，随着CMOS电路消噪技术的不断发展，为生产高密度优质的CMOS图像传感器提供了良好的条件。在实际应用中，在选择某种芯片的工业相机时有很多需要权衡考虑的问题。对工业相机的选择，要以满足机器视觉系统需求为标准；对机器视觉系统的选择，要以用户生产检测、工况监控等需求为标准。所以，对于机器视觉系统、工业相机来说，不论是哪种传感器比较强大，他们技术的进步无疑都将极大推动工业相机市场及机器视觉行业的发展。