在智能制造,自动化等设备中,离不开机械视觉,而说起机器视觉,一定少不了图像传感器。
几十年来,CCD和CMOS技术,一直在争夺图像传感器的优势。
那么这两种传感器有什么区别?
今天我们就来分享一下。
先给结果,再看图说话。
CCD VS CMOS
还是CMOS和CCD更顺耳。
整个像素区域可以看着是个矩阵,每个矩阵单元就是一个像素。
01
CMOS和CCD的微观结构
CCD的基本感光单元,是金属氧化物半导体电容器(MOS= Metal Oxide Semiconductor Capacity),它用作光电二极管和存储设备。
典型的 CCD 器件有四层:(a)底部掺杂硼的硅衬底(Silicon Substrate)、(b)沟道停止层(Channel Stop)、(c)氧化层(Silicon Dioxide)和(d)用于控制的栅电极(Polysilicon Gate Electrode)。
当栅极电压高时,氧化层下方会产生势能阱(Potential Well)。传入的光子可以激发势阱中的电子,这些电子可以被收集和引导,周围的掺杂区可防止受激电子泄漏。
使用 CCD相机生成图像,可分为四个主要阶段或功能:通过光子与器件光敏区域相互作用产生电荷、收集和存储释放的电荷、电荷转移和电荷测量。
①信号电荷的产生:CCD工作过程的第一步是电荷的产生。CCD可以将入射光信号转换为电荷输出,依据的是半导体的内光电效应(光伏效应)。
②信号电荷的存储:CCD工作过程的第二步是信号电荷的收集,就是将入射光子激励出的电荷收集起来成为信号电荷包的过程。
③信号电荷的传输(耦合):CCD工作过程的第三步是信号电荷包的转移,就是将所收集起来的电荷包从一个像元转移到下一个像元,直到全部电荷包输出完成的过程。
④信号电荷的检测:CCD工作过程的第四步是电荷的检测,就是将转移到输出级的电荷转化为电流或者电压的过程。
这个过程可以用下面的动画来表示。
CCD中电荷转移示意图
CCD中电荷转移示意图
CMOS微观结构示意图。
CMOS微观结构:和CCD最大的区别在于电荷的传输方式不同,CMOS使用金属导线传递。
CMOS像元工作示意图。传感器像素(一个反向偏置的二极管)连接到读出芯片中的像素电子元件。
CMOS像元工作示意图。
02
CMOS和CCD传感器工作原理
先来两张外观图,感觉一下CMOS和CCD长什么样。
CMOS外观图;包含像元,数字逻辑电路,信号处理器,时钟控制器等。
CCD外观图:包含水平和垂直移位寄存器,以及用于水平和垂直移位寄存器的时钟控制器, 还有输出放大器等。
把这两种传感器抽象一下,有下面这两张电路图。
CCD传感器电路图:电压转换必须在电荷传送到水平移位寄存器后。
CMOS传感器示意图:各个像元内包含感光元件和电压转换器,可以在像元内把光子转换成电压。
忽略电路板部分,只关注感光部分,有如下的示意图。
CCD传感器示意图。CCD本质上是一个大阵列的半导体“桶”,可以将传入的光子转换为电子并保持累积的电荷。这些电荷,可以被垂直移位寄存器,向下转移到水平移位寄存器,水平移位寄存器以将电荷转换为电压并输出。
CMOS传感器示意图。互补金属氧化物半导体设计不是传输电荷桶,而是立即将电荷转换为电压,并在微线上输出电压。
CMOS图像传感器工作示意图。CCD在过程结束时将电荷转换为电压,而CMOS传感器则在开始时执行此转换(因为各像元内包含电压转换器)。然后可以通过紧凑、节能的微型电线输出电压。
CMOS图像传感器工作示意图,每个像元独立产生电压,可迅速输出。
CCD图像传感器工作示意图:在各个光电传感器中累积电荷后,它们会同时传输到垂直移位寄存器中,在此寄存器中电荷向下垂直移动并穿过水平寄存器。最后,电荷被转换为电压并被放大。
全幅CCD图像传感器工作示意图。全幅CCD是结构最简单的传感器,可以以非常高的分辨率生产。它们只有一个单线传输寄存器作为缓冲器,不能通过传感器控制设置快门速度。因此,传感器必须位于机械快门后面,因为光敏传感器表面只能在曝光时间内暴露在光线下。全幅CCD主要用于科学和天文学中的摄影目的。
行间传输CCD图像传感器工作示意图。在曝光时间结束时,来自传感器单元的电荷同时传输到所有像素的中间存储器,并通过垂直和水平位移从那里读出。行间传输CCD的优势在于它们可以快速、完全地从传感器单元接收图像信息,中间存储不需要机械锁。这种设计的缺点是,传感器的填充系数较低,这会导致对光的敏感度降低,或在低光下更容易产生噪音。
帧传输CCD工作示意图。曝光后,存储的图像或单元中的电荷会非常迅速地转移到转移寄存器中。然后以与全帧 CCD相同的方式从传输寄存器读取电荷。
帧间行传输CCD工作示意图。结合了行间和全幅CCD原理。通过这种结构,有源传感器单元的电荷可以非常快速地传输到中间存储单元,并从那里同样快速地传输到完全不透光的传输寄存器。
关于CCD工作原理,有一个经典的区域雨水测量比喻。
CCD串行读出方式,可以用桶旅测量区域雨量来示意。其中落在桶阵列上的降雨强度可能因地而异,与成像传感器上的入射光子相似,如图(a)。
这些桶在积分期间收集了不同数量的信号(水),桶在传送带上向代表串行寄存器(Serial Bucket Array)的一排空桶传送。在图(b),一整排存储桶被并行移动到串行寄存器的存储库中。串行移位和读出操作如图(c)所示,其中描绘了每个桶中累积的雨水被顺序转移到校准的测量容器中,这类似于CCD输出放大器。当串行传送带上所有容器的内容物按顺序测量完毕后,另一列并行班次(Parallel Register Shift)将下一行收集桶的内容物转移到串行记录容器中,重复该过程,直到每个桶(像素)的内容物都测量完毕。
下面这个动画,示意这个有趣的过程,注意,实际是一桶一桶地测量。
CCD雨量比喻示意图。
03
结论
有了前面的了解,我们就直接给出结论了。
CCD和CMOS传感器之间的主要区别在于处理每个像素的方式:CCD将光生电荷从一个像素移动到另一个像素,并在输出节点将其转换为电压。CMOS成像器,在每个像素上使用多个晶体管,将每个像素内的电荷转换为电压,以使用更传统的导线放大和移动电荷。
CCD和CMOS传感器的区别:CCD像元产生的电荷,需要先寄存在垂直寄存器中,然后分行传送到水平寄存器,最后单独依次测量每个像元的电荷并放大输出信号。而CMOS传感器,则可以在每个像元中产生电压,然后通过金属线,传送到放大器输出,速度更快。
CCD将光生电荷从一个像素移动到另一个像素,并在输出节点将其转换为电压。CMOS成像器,在每个像素上使用多个晶体管,将每个像素内的电荷转换为电压,以使用更传统的导线放大和移动电荷。
CMOS VS CCD
CCD VS CMOS。
CMOS比CCD有一些明显的优势:
CMOS 传感器具有比 CCD 更快的数据检索速度。在 CMOS中,每个像素都单独放大,而不是在 CCD 中的公共端节点处理数据。这意味着每个像素都有自己的放大器,处理器消耗的噪声可以在像素级调低,然后放大以获得更高的清晰度,而不是在端节点一次性放大每个像素的原始数据。
CMOS 传感器更节能且生产成本更低。它们可以通过重新利用现有的半导体来构建。与CCD中的高压模拟电路相比,这些也使用更少的功率。
CCD传感器的图像质量优于CMOS传感器。然而,CMOS传感器在功耗和价格等方面优于CCD传感器。
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