CCD和CMOS的區(qū)別--影像測(cè)量硬件選擇

瑞士丹青

有鑒于許多網(wǎng)友詢問(wèn) CCD 與 CMOS 的主要差別。我們暫時(shí)撇開(kāi)復(fù)雜的技術(shù)文字，透過(guò)簡(jiǎn)單的比較來(lái)看這兩種不同類型，作用相同的影像感光元件。
  H. \+ u2 Z/ r# l　　不管，CCD 或 CMOS，基本上兩者都是利用矽感光二極體（photodiode）進(jìn)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(yáng)電能”電子計(jì)算機(jī)的“太陽(yáng)能電池”效應(yīng)相近，光線越強(qiáng)、電力越強(qiáng)；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(hào)。
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　　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(jiǎn)單的說(shuō)，按我們?cè)谏弦恢v“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(mén)關(guān)閉后進(jìn)行像素轉(zhuǎn)移處理，將每一行中每一個(gè)像素（pixel）的電荷信號(hào)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(jìn)行放大，再串聯(lián) ADC 輸出；相對(duì)地，CMOS 的設(shè)計(jì)中每個(gè)像素旁就直接連著 ADC（放大兼類比數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換器），訊號(hào)直接放大并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。

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兩者優(yōu)缺點(diǎn)的比較

CCD CMOS
( D! X8 K2 P) E6 L$ A' N設(shè)計(jì) 單一感光器 感光器連接放大器
8 j; W& t# ]' V' u靈敏度 同樣面積下高 感光開(kāi)口小，靈敏度低
7 w/ ]; O' [9 R- ], Y/ {3 {. I成本 線路品質(zhì)影響程度高，成本高 CMOS整合集成，成本低
6 i  f  S% v9 g0 y解析度 連接復(fù)雜度低，解析度高 低，新技術(shù)高
2 w. n; @& E3 q% g3 E  Z. s( I噪點(diǎn)比 單一放大，噪點(diǎn)低 百萬(wàn)放大，噪點(diǎn)高
功耗比 需外加電壓，功耗高 直接放大，功耗低

4 ^, }4 L/ w$ y8 }& b7 }　　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(hào)在傳輸時(shí)不失真（專屬通道設(shè)計(jì)），透過(guò)每一個(gè)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(jiǎn)單，沒(méi)有專屬通道的設(shè)計(jì)，因此必須先行放大再整合各個(gè)像素的資料。

" ?' ^% _& D6 t2 p* T' g) M　　整體來(lái)說(shuō)，CCD 與 CMOS 兩種設(shè)計(jì)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(diǎn)與耗電量等，不同類型的差異：

　　ISO 感光度差異：由于 CMOS 每個(gè)像素包含了放大器與A/D轉(zhuǎn)換電路，過(guò)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(huì)低于CCD。

8 E+ j. F; X. |- O2 c+ n+ B　　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(fù)擔(dān)的成本 和良率的損失；相對(duì)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(gè)像素故障（Fail），就會(huì)導(dǎo)致一整排的 訊號(hào)壅塞，無(wú)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(duì)高于CMOS。
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　　解析度差異：在第一點(diǎn)“感光度差異”中，由于 CMOS 每個(gè)像素的結(jié)構(gòu)比 CCD 復(fù)雜，其感光開(kāi)口不及CCD大， 相對(duì)比較相同尺寸的CCD與CMOS感光器時(shí)，CCD感光器的解析度通常會(huì)優(yōu)于CMOS。不過(guò)，如果跳脫尺寸限制，目前業(yè)界的CMOS 感光原件已經(jīng)可達(dá)到1400萬(wàn) 像素 / 全片幅的設(shè)計(jì)，CMOS 技術(shù)在量率上的優(yōu)勢(shì)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。
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4 Q: X, h7 f0 L0 l# _/ ^! m　　噪點(diǎn)差異：由于CMOS每個(gè)感光二極體旁都搭配一個(gè) ADC 放大器，如果以百萬(wàn)像素計(jì)，那么就需要百萬(wàn)個(gè)以上的 ADC 放大器，雖然是統(tǒng)一制造下的產(chǎn)品，但是每個(gè)放大器或多或少都有些微的差異存在，很難達(dá)到放大同步的效果，對(duì)比單一個(gè)放大器的CCD，CMOS最終計(jì)算出的噪點(diǎn)就比較多。
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- k! L5 f3 [: H9 B7 p7 d　　耗電量差異：CMOS的影像電荷驅(qū)動(dòng)方式為主動(dòng)式，感光二極體所產(chǎn)生的電荷會(huì)直接由旁邊的電晶體做放大輸出；但CCD卻為被動(dòng)式， 必須外加電壓讓每個(gè)像素中的電荷移動(dòng)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(jì)和耐壓強(qiáng)度，高驅(qū)動(dòng)電壓使 CCD 的電量遠(yuǎn)高于CMOS。

! u3 t. A0 P: Y6 I% n8 w　　盡管 CCD 在影像品質(zhì)等各方面均優(yōu)于CMOS，但不可否認(rèn)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(ài)，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(jìn)目標(biāo)，以期進(jìn)入照相手機(jī)的行動(dòng)通訊市場(chǎng)；CMOS系列，則開(kāi)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(diǎn)以及畫(huà)質(zhì)表現(xiàn)， 特別是 Canon 系列的 EOS D30 、EOS 300D 的成功，足見(jiàn)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(shí)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(jī)身為號(hào)召，CMOS未來(lái)跨足高階的影像市場(chǎng)產(chǎn)品，前景可期。
' X: P$ I4 a, ^/ j& _; l    專業(yè)測(cè)量以及高級(jí)影像測(cè)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(guò)獎(jiǎng)！謝謝！大家一起分享了