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如下圖所示,CCD傳感器中每一行中每一個象素的電荷數(shù)據(jù)都會依次傳送到下一個象素中,由最底端部分輸出,再經(jīng)由傳感器邊緣的放大器進行放大輸出；而在CMOS傳感器中,每個象素都會鄰接一個放大器及A/D轉(zhuǎn)換電路,用類似內(nèi)存電路的方式將數(shù)據(jù)輸出。左圖為CCD傳感器的結(jié)構(gòu),右圖為CMOS傳感器的結(jié)構(gòu)造成這種差異的原因在于：CCD的特殊工藝可保證數(shù)據(jù)在傳送時不會失真,因此各個象素的數(shù)據(jù)可匯聚至邊緣再進行放大處理；而CMOS工藝的數(shù)據(jù)在傳送距離較長時會產(chǎn)生噪聲,因此,必須先放大,再整合各個象素的數(shù)據(jù)。

由于數(shù)據(jù)傳送方式不同,因此CCD與CMOS傳感器在效能與應(yīng)用上也有諸多差異,這些差異包括：

1、靈敏度差異：由于CMOS傳感器的每個象素由四個晶體管與一個感光二極管構(gòu)成(含放大器與A/D轉(zhuǎn)換電路),使得每個象素的感光區(qū)域遠小于象素本身的表面積,因此在象素尺寸相同的情況下,CMOS傳感器的靈敏度要低于CCD傳感器。

2、成本差異：由于CMOS傳感器采用一般半導體電路最常用的CMOS工藝,可以輕易地將周邊電路(如AGC、CDS、Timing generator、或DSP等)集成到傳感器芯片中,因此可以節(jié)省外圍芯片的成本；除此之外,由于CCD采用電荷傳遞的方式傳送數(shù)據(jù),只要其中有一個象素不能運行,就會導致一整排的數(shù)據(jù)不能傳送,因此控制CCD傳感器的成品率比CMOS傳感器困難許多,即使有經(jīng)驗的廠商也很難在產(chǎn)品問世的半年內(nèi)突破 50%的水平,因此,CCD傳感器的成本會高于CMOS傳感器。

3、分辨率差異：如上所述,CMOS傳感器的每個象素都比CCD傳感器復雜,其象素尺寸很難達到CCD傳感器的水平,因此,當我們比較相同尺寸的CCD與CMOS傳感器時,CCD傳感器的分辨率通常會優(yōu)于CMOS傳感器的水平。例如,目前市面上CMOS傳感器最高可達到210萬象素的水平(OmniVision的 OV2610,2002年6月推出),其尺寸為1/2英寸,象素尺寸為4.25μm,但Sony在2002年12月推出了ICX452,其尺寸與 OV2610相差不多(1/1.8英寸),但分辨率卻能高達513萬象素,象素尺寸也只有2.78mm的水平。

4、噪聲差異：由于CMOS傳感器的每個感光二極管都需搭配一個放大器,而放大器屬于模擬電路,很難讓每個放大器所得到的結(jié)果保持一致,因此與只有一個放大器放在芯片邊緣的CCD傳感器相比,CMOS傳感器的噪聲就會增加很多,影響圖像品質(zhì)。

5、功耗差異：CMOS傳感器的圖像采集方式為主動式,感光二極管所產(chǎn)生的電荷會直接由晶體管放大輸出,但CCD傳感器為被動式采集,需外加電壓讓每個象素中的電荷移動,而此外加電壓通常需要達到12~18V；因此,CCD傳感器除了在電源管理電路設(shè)計上的難度更高之外(需外加 power IC),高驅(qū)動電壓更使其功耗遠高于CMOS傳感器的水平。舉例來說,OmniVision近期推出的OV7640(1/4英寸、VGA),在 30 fPS的速度下運行,功耗僅為40mW；而致力于低功耗CCD傳感器的Sanyo公司去年推出了1/7英寸、CIF等級的產(chǎn)品,其功耗卻仍保持在90mW 以上,雖然該公司近期將推出35mW的新產(chǎn)品,但仍與CMOS傳感器存在差距,且仍處于樣品階段。

綜上所述,CCD傳感器在靈敏度、分辨率、噪聲控制等方面都優(yōu)于CMOS傳感器,而CMOS傳感器則具有低成本、低功耗、以及高整合度的特點。不過,隨著CCD與CMOS傳感器技術(shù)的進步,兩者的差異有逐漸縮小的態(tài)勢,例如,CCD傳感器一直在功耗上作改進,以應(yīng)用于移動通信市場(這方面的代表業(yè)者為Sanyo)；CMOS傳感器則在改善分辨率與靈敏度方面的不足,以應(yīng)用于更高端的圖像產(chǎn)品,我們可以從以下各主要廠商的產(chǎn)品規(guī)劃來看出一些端倪。

CMOS圖像傳感器利用上述原理形成CMOS開關(guān)來控制光電二極管,將一個CMOS開關(guān)和一個光電二極管組合成一個像元。當入射光照射光敏面時,每個像素內(nèi)產(chǎn)生對應(yīng)大小的電荷,該行的電路根據(jù)需要導通某一行的CMOS開關(guān),行像素內(nèi)的信號通過它所在列的傳輸線傳輸?shù)狡湫盘柼幚黼娐?處理過后的模擬信號通過模數(shù)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字信號并輸出,圖像的窗口提取功能可以通過行列選擇邏輯單元聯(lián)合使用來實現(xiàn)。

CMOS 圖像傳感器的一個缺點是讀出路徑中有幾個有源器件會產(chǎn)生隨時間變化的噪聲。此外,制造不一致會導致不同像素的電荷-電壓放大器之間的不匹配。這會導致固定模式噪聲,即使它們暴露在均勻照明下,不同的像素也會產(chǎn)生不同的值。

對于許多 CMOS 圖像傳感器,不同像素行的曝光周期開始時間略有不同。通常,行從上到下依次重置。在給定行的積分時間過去后,它的讀數(shù)應(yīng)該開始。因此,光積分從上到下依次發(fā)生,就像復位過程一樣。在捕捉快速移動的物體時,這可能會導致一種稱為卷簾快門偽影的失真。這是因為在捕捉到所有像素時,具有快速移動對象的場景可能會發(fā)生變化。滾動快門偽影表現(xiàn)為捕捉場景中的一些非剛性或彎曲。

現(xiàn)代 CMOS 傳感器具有更快的讀出速率,并且可以更輕松地避免這種非理想效應(yīng)。此外,還有帶全局快門的 CMOS 圖像傳感器,所有像素的復位和曝光周期同時發(fā)生。在積分時間結(jié)束時,不同像素的累積電荷同時傳輸?shù)酱鎯�區(qū)域以進行進一步處理。由于所有像素的曝光周期是同時發(fā)生的,所以不會出現(xiàn)卷簾快門效應(yīng)。

反向偏置光電二極管產(chǎn)生與入射光強度成比例的電流分量。這些光電探測器的二維陣列可用于實現(xiàn) CMOS 圖像傳感器。CMOS 圖像傳感器中的像素可能具有不同級別的復雜性。例如,CMOS 圖像傳感器的像素不僅可以包含光電二極管,還可以包含放大器。DPS（數(shù)字像素傳感器）設(shè)備使用更復雜的像素,其中每個像素都有自己的模數(shù)轉(zhuǎn)換器和內(nèi)存塊。

CMOS 圖像傳感器的優(yōu)點是可以將傳感器與成像系統(tǒng)所需的其他模擬和數(shù)字電路集成在一起。可能會降低 CMOS 圖像傳感器性能的兩個噪聲源是不同像素組件之間的制造不匹配以及來自讀出路徑中的有源器件的噪聲。