CCD和CMOS的區別--影像測量硬件選擇

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瑞士丹青

電梯直達

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發表于 2008-3-21 09:13:01 | 只看該作者 |倒序瀏覽 |閱讀模式

有鑒于許多網友詢問 CCD 與 CMOS 的主要差別。我們暫時撇開復雜的技術文字，透過簡單的比較來看這兩種不同類型，作用相同的影像感光元件。
　　不管，CCD 或 CMOS，基本上兩者都是利用矽感光二極體（photodiode）進行光與電的轉換。這種轉換的原理與各位手上具備“太陽電能”電子計算機的“太陽能電池”效應相近，光線越強、電力越強；反之，光線越弱、電力也越弱的道理，將光影像轉換為電子數字信號。

　　比較 CCD 和 CMOS 的結構，ADC的位置和數量是最大的不同。簡單的說，按我們在上一講“CCD 感光元件的工作原理（上）”中所提之內容。CCD每曝光一次，在快門關閉后進行像素轉移處理，將每一行中每一個像素（pixel）的電荷信號依序傳入“緩沖器”中，由底端的線路引導輸出至 CCD 旁的放大器進行放大，再串聯 ADC 輸出；相對地，CMOS 的設計中每個像素旁就直接連著 ADC（放大兼類比數字信號轉換器），訊號直接放大并轉換成數字信號。

兩者優缺點的比較

CCD CMOS
設計單一感光器感光器連接放大器
靈敏度同樣面積下高感光開口小，靈敏度低
成本線路品質影響程度高，成本高 CMOS整合集成，成本低
解析度連接復雜度低，解析度高低，新技術高
噪點比單一放大，噪點低百萬放大，噪點高
功耗比需外加電壓，功耗高直接放大，功耗低

　　由于構造上的基本差異，我們可以表列出兩者在性能上的表現之不同。CCD的特色在于充分保持信號在傳輸時不失真（專屬通道設計），透過每一個像素集合至單一放大器上再做統一處理，可以保持資料的完整性；CMOS的制程較簡單，沒有專屬通道的設計，因此必須先行放大再整合各個像素的資料。

　　整體來說，CCD 與 CMOS 兩種設計的應用，反應在成像效果上，形成包括 ISO 感光度、制造成本、解析度、噪點與耗電量等，不同類型的差異：

　　ISO 感光度差異：由于 CMOS 每個像素包含了放大器與A/D轉換電路，過多的額外設備壓縮單一像素的感光區域的表面積，因此相同像素下，同樣大小之感光器尺寸，CMOS的感光度會低于CCD。

　　成本差異：CMOS 應用半導體工業常用的 MOS制程，可以一次整合全部周邊設施于單晶片中，節省加工晶片所需負擔的成本和良率的損失；相對地 CCD 采用電荷傳遞的方式輸出資訊，必須另辟傳輸通道，如果通道中有一個像素故障（Fail），就會導致一整排的訊號壅塞，無法傳遞，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的制造成本相對高于CMOS。

　　解析度差異：在第一點“感光度差異”中，由于 CMOS 每個像素的結構比 CCD 復雜，其感光開口不及CCD大，相對比較相同尺寸的CCD與CMOS感光器時，CCD感光器的解析度通常會優于CMOS。不過，如果跳脫尺寸限制，目前業界的CMOS 感光原件已經可達到1400萬像素 / 全片幅的設計，CMOS 技術在量率上的優勢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。

　　噪點差異：由于CMOS每個感光二極體旁都搭配一個 ADC 放大器，如果以百萬像素計，那么就需要百萬個以上的 ADC 放大器，雖然是統一制造下的產品，但是每個放大器或多或少都有些微的差異存在，很難達到放大同步的效果，對比單一個放大器的CCD，CMOS最終計算出的噪點就比較多。

　　耗電量差異：CMOS的影像電荷驅動方式為主動式，感光二極體所產生的電荷會直接由旁邊的電晶體做放大輸出；但CCD卻為被動式，必須外加電壓讓每個像素中的電荷移動至傳輸通道。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計和耐壓強度，高驅動電壓使 CCD 的電量遠高于CMOS。

　　盡管 CCD 在影像品質等各方面均優于CMOS，但不可否認的CMOS具有低成本、低耗電以及高整合度的特性。由于數碼影像的需求熱烈，CMOS的低成本和穩定供貨，成為廠商的最愛，也因此其制造技術不斷地改良更新，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目標，以期進入照相手機的行動通訊市場；CMOS系列，則開始朝向大尺寸面積與高速影像處理晶片統合，藉由后續的影像處理修正噪點以及畫質表現，特別是 Canon 系列的 EOS D30 、EOS 300D 的成功，足見高速影像處理晶片已經可以勝任高像素 CMOS 所產生的影像處理時間與能力的縮短；另外，大尺寸全片幅則以 Kodak DCS Pro14n、DCS Pro/n、DCS Pro/c 這一系列的數碼機身為號召，CMOS未來跨足高階的影像市場產品，前景可期。
專業測量以及高級影像測量還是主要以CCD為主。