ccd和cmos原理

工业相机，选择TEO

CCD与CMOS图像传感器的成像原理

你还在为不知道工业相机图像传感器的成像而苦恼吗？美国TEO为您做了以下解析，希望对工业相机爱好的朋友们有所帮助。

在接受光照之后，感光元件（感光二极管PD：photodiode）产生对应的电流，电流大小与光强对应，因此感光元件直接输出的电信号是模拟的。在CCD传感器中，每一个感光元件都不对此作进一步的处理，而是将它直接输出到下一个感光元件的存储单元，结合该元件生成的模拟信号后再输出给第三个感光元件，依次类推，直到结合最后一个感光元件的信号才能形成统一的输出。

由于感光元件生成的电信号实在太微弱了，无法直接进行模数转换工作，因此这些输出数据必须做统一的放大处理—这项任务是由CCD传感器中的放大器专门负责，经放大器处理之后，每个像点的电信号强度都获得同样幅度的增大；但由于CCD本身无法将模拟信号直接转换为数字信号，因此还需要一个专门的模数转换芯片进行处理，最终以二进制数字图像矩阵的形式输出给专门的DSP处理芯片。

而对于CMOS传感器，上述工作流程就完全不适用了。CMOS传感器中每一个感光元件都直接整合了放大器和模数转换逻辑，当感光二极管接受光照、产生模拟的电信号之后，电信号首先被该感光元件中的放大器放大，然后直接转换成对应的数字信号。

换句话说，在CMOS传感器中，每一个感光元件都可产生最终的数字输出，

工业相机，选择TEO

所得数字信号合并之后被直接送交DSP芯片处理—问题恰恰是发生在这里，CMOS感光元件中的放大器属于模拟器件，无法保证每个像点的放大率都保持严格一致，致使放大后的图像数据无法代表拍摄物体的原貌—体现在最终的输出结果上，就是图像中出现大量的噪声，品质明显低于CCD传感器。

 CCD 和 CMOS 感光组件的区别

Olympus E1 CCD 感光套件（包含超音波除尘器）

Mr.OH! 在第二讲中概略地介绍了 CCD 与 CMOS，但对于大多数的同学来说，看得到的却是一颗颗已经整合好的芯片组合！内部详细的结构，以及到底是如何运作产生我们看到的一幅幅数字照片，且我们撇开复杂的技术文字，透过图片比较，来看这两种不同类型，作用却又相同的影像感光组件。

 放大器位置和数量

比较 CCD 和 CMOS 的结构，放大器的位置和数量是最大的不同之处，Mr.OH! 会在下一讲 CCD 感光组件工作原理（上），提及完整的感光组件作业流程。此讲中，Mr.OH!简单地解释：CCD 每曝光一次，自快门关闭或是内部频率自动断线（电子快门）后，即进行画素转移处理，将每一行中每一个画素（pixel）的电荷信号依序传入『缓冲器（电荷储存器）』中，由底端的线路导引输出至 CCD 旁的放大器进行放大，再串联 ADC（模拟数字数据转换器） 输出；相对地，CMOS 的设计中每个画素旁就直接连着『放大器』，光电讯号可直接放大再经由 BUS 通路移动至 ADC 中转换成数字数据。

 两者优缺点的比较

CCD 与 CMOS 感光组件之优缺点比较

CCD CMOS

设计 单一感光器 感光器连结放大器

灵敏度 同样面积下较高 感光开口小低

（Fill Factor 因感光开口大，较高）

成本 线路质量影响良率

高 整合制程

低

分辨率 结构复杂度低

高 传统技术较低

新技术摆脱面积限制，可达全片幅

噪声比 单一放大器主控 多元放大器，误差大 低 高

耗能比 需外加电压导出电荷

高 画素直接放大

低

反应速度 慢 快

IPA

(个别画素寻址） 无 有

制造机具 特殊订制机台 可以使用内存或处理器制造机

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），透过每一个画素集合至单一放大器上再做统一处理，可以保持数据的完整性；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画素的数据。

像素：数码相机的像素数包括有效像素（Effective Pixels）和最大像素（Maximum Pixels）。与最大像素不同的是有效像素数是指真正参与感光成像的像素值，而最高像素的数值是感光器件的真实像素，这个数据通常包含了感光器件的非成像部分，而有效像素是在镜头变焦倍率下所换算出来的值。对于手机的数码相机像素，目前只能处于初级发展阶段，像素数并不很高，大都在10万--130万像素之间。数码相机的像素数越大，所拍摄的静态图像的分辨率也越大，相应的一张图片所占用的空间也会增大。有效像素：有效像素数英文名称为Effective

Pixels。与最大像素不同，有效像素数是指真正参与感光成像的像素值。最高像素的数值是感光器件的真实像素，这个数据通常包含了感光器件的非成像部分，而有效像素是在镜头变焦倍率下所换算出来的值。数码图片的储存方式一般以像素（Pixel）为单位，每个象素是数码图片里面积最小的单位。像素越大，图片的面积越大。要增加一个图片的面积大小，如果没有更多的光进入感光器件，唯一的办法就是把像素的面积增大，这样一来，可能会影响图片的锐力度和清晰度。所以，在像素面积不变的情况下，数码相机能获得最大的图片像素，即为有效像素。最大像素：最大像素英文名称为Maximum Pixels，所谓的最大像素是经过插值运算后获得的。插值运算通过设在数码相机内部的DSP芯片，在需要放大图像时用最临近法插值、线性插值等运算方法，在图像内添加图像放大后所需要增加的像素。插值运算后获得的图像质量不能够与真正感光成像的图像相比。以最大像素拍摄的图片清晰度比不上以有效像素拍摄的。传感器：作为手机新型的拍摄功能，内置的数码相机功能与我们平时所见到的低端的（10万--130万像素）数码相机相同。与传统相机相比，传统相机使用“胶卷”作为其记录信息的载体，而数码相机的“胶卷”就是其成像感光器件，而且是与相机一体的，是数码相机的心脏。感光器是数码相机的核心，也是最关键的技术。目前手机数码相机的核心成像部件有两种：一种是广泛使用的CCD（电荷藕合）元件；另一种是CMOS（互补金属氧化物导体）器件。 CCD：电荷藕合器件图像传感器CCD（Charge Coupled Device），它使用一种高感光度的半导体材料制成，能把光线转变成电荷，通过模数转换器芯片转换成数字信号，数字信号经过压缩以后由相机内部的闪速存储器或内置硬盘卡保存，因而可以轻而易举地把数据传输给计算机，并借助于计算机的处理手段，根据需要和想像来修改图像。CCD由许多感光单位组成，通常以百万像素为单位。当CCD表面受到光线照射时，每个感光单位会将电荷反映在组件上，所有的感光单位所产生的信号加在一起，就构成了一幅完整的画面。

简单说CCD摄像机与CMOS摄像机最大的区别是前者采集的是模拟信号，以线数来区分，后者采集的是数字信号以像素区分。CCD是Charge Coupled Device(电荷耦合器件)的缩写，它是一种半导体成像器件，因而具有灵敏度高、抗强光、畸变小、体积小、寿命长、抗震动等优点。 安全防范系统中，图像的生成当前主要是来自CCD摄像机,CCD是电荷耦合器件（charge coupled deice)的简称，它能够将光线变为电荷并将电荷存储及转移，也可将存储之电荷取出使电压发生变化，因此是理想的摄像机元件，以其构成的CCD摄像机具有体积小、重量轻、部受磁场影响、具有抗震东和撞击之特性而被广泛应用。CMOS称为“互补金属氧化物半导体”，CMOS实际上只是将晶体管放在硅块上的技术，没有更多的含义。传感器被称为CMOS传感器只是为了区别于CCD传感器，与传感器处理影像的真正方法无关。简单的说CCD摄像机的优势是夜间感光度好，CMOS摄像机的优势是能获得100万以上像素的高清画面，这是CCD摄像机无法比拟的。

由于数据传送方式不同，因此CCD与CMOS传感器在效能与应用上也有诸多差异，这些差异包括：

1. 灵敏度差异：

由于CMOS传感器的每个象素由四个晶体管与一个感光二极管构成（含放大器与A/D转换电路），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。

2. 成本差异：

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、CDS、Timing generator、或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，只要其中有一个象素不能运行，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。