ccd 和 cmos 的异同

子凡 问答 2019-06-27 16:22:11 阅读(...)

CCD与CMOS传感器是当前被普遍采用的两种图像传感器,两者都是利用感光二极管进行光电转换,将图像转换为数字数据,而其主要差异是数字数据传送的方式不同。一般而言普通的数码相机中使用CCD芯片的成像质量要好一些。

CCDCMOS 传感器是当前被普遍采用的两种图像传感器,两者都是利用感光二极管进行光电转换,将图像转换为数字数据,而其主要差异是数字数据传送的方式不同。一般而言普通的数码相机中使用 CCD 芯片的成像质量要好一些。CCD 是目前比较成熟的成像器件,CMOS 被看作未来的成像器件。

Sony A73 传感器

CCD 与 CMOS 相同之处

两种类型的传感器都以完全相同的方式检测光。入射光子撞击硅原子,硅原子是半导体。当发生这种情况时,原子中的一个电子被提升到更高的能级(轨道),称为导带。硅通常表现得像绝缘体,所以它的电子不能四处移动。但是一旦电子被提升到导带,就可以自由地移动到其他相邻的原子,就像硅是金属一样。什么是绝缘体变成导体 – 这就是硅被称为半导体的原因。在光学传感器中,这些现在可移动的电子被称为光电子。

两种类型的传感器都使用像素。像素只是硅的一个小方形区域,它收集并保持这些光电子。通常的比喻是田间的一系列水桶,每个都收集雨水。如果你想知道在该领域的任何部分下雨了多少,你只需要测量每个桶的充满程度。到目前为止,CCD 和 CMOS 的一切都是一样的; 这是一个非常不同的测量过程。

CCD 与 CMOS 不同之处

电荷耦合器件(CCD)是更老,更成熟的技术。这些芯片采用 NMOS 或 PMOS 技术制造,这种技术在 70 年代很流行,但在今天很少使用。在读出期间,CCD 将电子从像素移动到像素,就像桶式旅一样。它们通过传感器一角的读出放大器一个接一个地移出。这样做的最大好处是每个像素都以相同的方式测量。使用单个读出放大器使读出过程非常一致。这样可以生成具有低固定模式噪声和读取噪声的高质量数据。像素中也没有浪费的空间,这是 CMOS 传感器的问题。将所有光电子混洗到器件的一个角落确实限制了读出速度;

大多数现代电子产品都是采用 CMOS 技术或互补金属氧化物半导体制造的。CMOS 器件使用 NMOS 和 PMOS 晶体管,这使它们具有出色的开关特性。使用 CMOS 技术构建传感器可以使用其他电子元件,例如模数转换器。CMOS 传感器中的每个像素都有自己的读出放大器,通常传感器每列都有 A / D 转换器; 这使得可以非常快速地读出阵列。位于每个像素的晶体管占用一些空间,导致灵敏度和井深度较低。除了速度之外,开发 CMOS 传感器的主要动机是成本,而不是性能。多年来,CMOS 传感器的灵敏度,噪声和暗电流性能远远低于 CCD 传感器。

CMOS 传感器不需要复杂的外部时钟驱动器电子器件,可产生精确的电压和波形,以在传感器周围移动电荷。它们不需要复杂的外部读出电子器件,双相关采样器和 A / D 转换器。读出所需的所有电子元件都内置于传感器中。单芯片只需要干净的电源即可提供良好的图像,并可直接以数字方式读出。这就是 CMOS 传感器在成本方面具有很大优势的原因。也就是说,对于科学应用而言,无论传感器类型如何,支持冷却传感器所需的额外机械和电子硬件仍然是主要的成本驱动因素。

随着时间的推移,更成熟的 CCD 技术通过许多创新得到增强,无论大小。Interline 传感器专为更高速度和无快门操作而开发。通过在芯片顶部的读出电极周围引导光,添加微透镜以提高灵敏度。背照式变薄传感器避免光线通过电极和其他结构,导致量子效率接近 100%; 然而,准确地减薄传感器是困难和昂贵的。还开发了具有令人难以置信的低读取噪声的电子倍增器件(EMCCD)。其中一些创新也可以应用于 CMOS 传感器,包括背照式和微透镜技术。其他如 EMCCD 技术特定于 CCD 架构。当然,CMOS 器件制造商采用了适用的技术,提高了传感器的性能。这有助于缩小 CMOS 和 CCD 之间的成像性能差距。

除采用这些技术外,CMOS 传感器的整体架构也有所改进; 例如,使用各种方法来减小读出晶体管对传感器的敏感区域的影响,以及其他方法以减少电噪声。一些现代 CMOS 传感器具有与 CCD 传感器相当的性能,并且在某些情况下在某些方面超过了它们的性能。最近的科学级 CMOS 器件,例如 GPixel GENSE400BSI,具有极高的量子效率和极低的读取噪声,在某些工作模式下大约为 1.5 个电子。

长曝光应用的一个主要缺点是“放大器发光”现象。这是由片上放大器引起的杂散光。所有偏置的半导体都通过 LED 工作的相同机制产生少量光。通过在长时间曝光期间降低提供给片上放大器的电压,可以在 CCD 传感器上轻松克服这种寄生发光。CMOS 传感器在板上具有更多的有源电子器件,并且它们通常在成像期间不能关闭或处于低功率状态。因此,传感器通常可以在几分钟内因放大器发光而饱和。即使使用较短的曝光和堆叠,也会产生光子散粒噪声和额外的读取噪声。在目前的技术状态下,放大器发光对于诸如天文学的长曝光应用来说可能是一个显着的缺点。

简单总结

如今的 CMOS 传感器由于其低成本和快速读出速度而在视频,智能手机和 DSLR(数码相机)应用中成为 CCD 传感器的主导。他们也正在进入科学应用领域。随着时间的推移,我们可以预期 CMOS 将在更高性能的应用中逐渐取代 CCD。CCD 技术目前在井深,放大器发光和大阵列传感器方面仍具有优势。但差距继续缩小,我们预计在未来 5 到 10 年内,许多高性能成像应用中都会出现 CMOS 替代 CCD。但是,有一段时间内,最高性能的应用仍然可以使用 EMCCD 或背照式薄型 CCD 技术。

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