CCD 和 SCMOS 科學(xué)相機(jī)

1.傳統(tǒng)相機(jī)與數(shù)碼相機(jī)
1.1傳統(tǒng)相機(jī)成像過(guò)程
1．鏡頭把景物影象聚焦在膠片上；
2. 片上的感光劑隨光發(fā)生變化；
3. 片上受光后變化了的感光劑經(jīng)顯影液顯影和定影；
4. 形成和景物相反或色彩互補(bǔ)的影象；
5. 所形成的像是實(shí)像。

1.2數(shù)碼相機(jī)成像過(guò)程
1．經(jīng)過(guò)鏡頭光聚焦在CCD或CMOS上；
2．CCD或CMOS將光轉(zhuǎn)換成電信號(hào)；
3．經(jīng)處理器加工，記錄在相機(jī)的內(nèi)存上；
4．通過(guò)電腦處理和顯示器的電光轉(zhuǎn)換，或經(jīng)打印機(jī)打印便形成影象。具體過(guò)程：光線從鏡頭進(jìn)入相機(jī)，CCD進(jìn)行濾色、感光（光電轉(zhuǎn)化），按照一定的排列方式將拍攝物體“分解”成了一個(gè)一個(gè)的像素點(diǎn)，這些像素點(diǎn)以模擬圖像信號(hào)的形式轉(zhuǎn)移到“模數(shù)轉(zhuǎn)換器”上，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，傳送到圖像處理器上，處理成真正的圖像，之后壓縮存儲(chǔ)到存儲(chǔ)介質(zhì)中。

對(duì)膠片相機(jī)而言，景物的反射光線經(jīng)過(guò)鏡頭的會(huì)聚，在膠片上形成潛應(yīng)影，這個(gè)潛影是光和膠片上的乳劑產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)的結(jié)果。再經(jīng)過(guò)顯影和定影處理就形成了影像。

數(shù)碼相機(jī)是通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)將影像聚焦在成像元件CCD/ CMOS 上，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器將每個(gè)像素上光電信號(hào)轉(zhuǎn)變成數(shù)碼信號(hào)，再經(jīng)DSP處理成數(shù)碼圖像，存儲(chǔ)到存儲(chǔ)介質(zhì)當(dāng)中。

而獲取圖像數(shù)據(jù)的傳感器CCD和CMOS有什么區(qū)別呢？

2.數(shù)碼相機(jī)傳感器CCD和CMOS的區(qū)別

2.1 CCD
CCD的英文全稱是“Charge-coupledDevice”，中文全稱是電荷耦合元件，通常稱為CCD圖像傳感器。CCD是一種半導(dǎo)體器件，能夠把光學(xué)影像轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，CCD上植入的微小光敏物質(zhì)稱作像素(Pixel)，一塊CCD上包含的像素?cái)?shù)越多，其提供的畫(huà)面分辨率也就越高。CCD作用就像膠片一樣，但它是把圖像像素轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，CCD上有許多排列整齊的電容，能感應(yīng)光線，并將影像轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)。經(jīng)由外部電路的控制，每個(gè)小電容能將其所帶的電行轉(zhuǎn)給它相鄰的電容。

CCD是蝕刻在硅表面形成光敏元件(像素)的集成電路。光子落在這個(gè)表面上產(chǎn)生電荷，可以被電子學(xué)讀取并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。 CCD的尺寸可以根據(jù)不同的應(yīng)用類型而變化，通常適用于科學(xué)領(lǐng)域。與其他傳感器一樣，CCD可以被可視化為一組收集雨水(光子)的桶(像素)，每個(gè)桶暴露在雨中相同的時(shí)間。曝光用不同數(shù)量的光子填充像素，然后每次讀取一個(gè)像素。這個(gè)過(guò)程從將光子發(fā)射到鄰近的空?qǐng)A柱開(kāi)始。這一列中的像素將它們的光子傳輸?shù)阶詈笠粋€(gè)像素，相機(jī)的電路讀出這個(gè)像素并將它轉(zhuǎn)換成一個(gè)可以被計(jì)算機(jī)理解和存儲(chǔ)的數(shù)字。

CCD圖像傳感器可直接將光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬電流信號(hào)，電流信號(hào)經(jīng)過(guò)放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)圖像的獲取、存儲(chǔ)、傳輸.處理和重現(xiàn)，CCO圖像傳感器具有如下特點(diǎn)：
(1)體積小重量輕;
(2)功耗小，工作電壓低;抗沖擊與震動(dòng)，性能穩(wěn)定，壽命長(zhǎng);
(3)靈敏度高，噪聲低，動(dòng)態(tài)范圍大;
(4)響應(yīng)速度快，有自掃描功能，圖像畸變小，無(wú)殘像;
(5)應(yīng)用超大規(guī)模集成電路工藝技術(shù)生產(chǎn)，像素集成度高，尺寸精確，商品化生產(chǎn)成本低。

CCD類型的傳感器越來(lái)越不受歡迎，索尼宣布到2025年停止他們的生產(chǎn)線后，他們的使用也在下降。雖然相當(dāng)慢，但它們的主要優(yōu)勢(shì)仍然在于最長(zhǎng)曝光時(shí)間和ADC是16位或更多。

CCD的優(yōu)勢(shì)：在于成像質(zhì)量好，但是由于制造工藝復(fù)雜，只有少數(shù)的廠商能夠掌握，所以導(dǎo)致制造成本居高不下，特別是大型CCD，價(jià)格非常高昂。

2.2 COMS
CMOS(CompementaryMetalOxideSemiconductor)指互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體，是電壓控制的一種放大器件，是組成CMOS數(shù)字集成電路的基本單元。在數(shù)字影像領(lǐng)域，CMOS作為一種低成本的感光元件技術(shù)被發(fā)展出來(lái)，市面上常見(jiàn)的數(shù)碼產(chǎn)品，其感光元件主要就是CCD或者CMOS，尤其是低端攝像頭產(chǎn)品，而通常高端攝像頭都是CCD感光元件。

CMOS制造工藝被應(yīng)用于制作數(shù)碼影像器材的感光元件，是將純粹邏輯運(yùn)算的功能轉(zhuǎn)變成接收外界光線后轉(zhuǎn)化為電能，再造過(guò)芯片上的模一數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)將獲得的影像訊號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)輸出。CMOS與CCD主要有以下不同：
(1)成像過(guò)程中產(chǎn)生的噪聲高
(2)集成性高
(3)讀出速度快，地址選通開(kāi)關(guān)可隨機(jī)采樣，獲得更高的速度
(4)噪聲：由于CMOS圖像傳感器集成度高，各元件、電路之間距離很近，干擾比較嚴(yán)重，噪聲對(duì)圖像質(zhì)量影響很大。隨著CMOS電路消噪技術(shù)的不斷發(fā)展，為生產(chǎn)高密度優(yōu)質(zhì)的CMOS圖像傳感器提供了良好的條件。

CMOS影像傳感器的優(yōu)點(diǎn)之一是電源消耗量比CCD低，CCD為提供優(yōu)異的影像品質(zhì)，付出代價(jià)即是較高的電源消耗量，為使電荷傳輸順暢，噪聲降低，需由高壓差改善傳輸效果。但CMOS影像傳感器將每一畫(huà)素的電荷轉(zhuǎn)換成電壓，讀取前便將其放大，利用3.3V的電源即可驅(qū)動(dòng)，電源消耗量比CCD低。CMOS影像傳感器的另一優(yōu)點(diǎn)，是與周邊電路的整合性高，可將ADC與訊號(hào)處理器整合在一起，使體積大幅縮小。

CMOS傳感器的一個(gè)主要優(yōu)勢(shì)是，特別是在板級(jí)版本，它們非常適合用于嵌入式視覺(jué)系統(tǒng)。它們的速度、大小、重量、可替換性和其他因素也有助于創(chuàng)建強(qiáng)大的移動(dòng)多攝像頭設(shè)置。

CMOS的缺點(diǎn)：就是太容易出現(xiàn)雜點(diǎn), 這主要是因?yàn)樵缙诘脑O(shè)計(jì)使CMOS在處理快速變化的影像時(shí)，由于電流變化過(guò)于頻繁而會(huì)產(chǎn)生過(guò)熱的現(xiàn)象。本質(zhì)原因是，CCD操作的對(duì)象是光子，可以使用微透鏡將光子引導(dǎo)到?jīng)]有被金屬部件覆蓋的區(qū)域，并彌補(bǔ)一些損失，但這對(duì)電子是不可能的。在相同分辨率下，CMOS價(jià)格比CCD便宜，但是CMOS器件產(chǎn)生的圖像質(zhì)量相比CCD來(lái)說(shuō)要低一些。

2.3 sCMOS
sCMOS其實(shí)是scentific CMOS的縮寫(xiě)，是基于下一代CMOS圖像傳感器(CIS)設(shè)計(jì)和制造技術(shù)的突破性技術(shù)。sCMOS技術(shù)提供了一種獨(dú)特的能力，可以同時(shí)提供與其他傳感器類型相矛盾的性能參數(shù)。

3.CMOS的前照式、背照式和堆疊式
CMOS的制造方式主要包括傳統(tǒng)（前照式）CMOS、背照式（Back-illuminated）CMOS、堆疊式（Stacked）CMOS。

其具體差異可以參考下面這篇文章：
CMOS的前照式、背照式和堆疊式

4.CCD與CMOS的功能參數(shù)對(duì)比
一般來(lái)說(shuō)，傳感器有很多分辨率、傳感器和像素大小、噪聲水平、幀率和許多其他規(guī)格。
不同的應(yīng)用需要或強(qiáng)調(diào)可能相互排斥的特定參數(shù)，例如，低噪聲很難與高速結(jié)合。

參數(shù)對(duì)比：

參數(shù)? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?CCD? ? ? ? ?CMOS? ? ? ?sCMOS
速度（Speed）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??慢? ? ? ? ? ? ? 快? ? ? ? ? ? ?快/慢
靈敏度（Sensitivity）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??? ?中? ? ? ? ? ???低-中? ? ? ? ? ?高
噪聲（Noise）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?中? ? ? ? ? ? 中到高? ? ? ? ? ?低
系統(tǒng)復(fù)雜度（System Complexity）?? 高? ? ? ? ? ? ?低? ? ? ? ? ? ? ? ?高
傳感器復(fù)雜度（Sensor Complexity）低? ? ? ? ? ? ?中? ? ? ? ? ? ?? ? 高
頻率和光波長(zhǎng)變換器(FWC)? ? ? ? ? ? ? ??中? ? ? ? ? ? ?低? ? ? ? ? ? ? ? ?高
像素信號(hào)（Pixel Signal）? ? ? ? ? ? ? ? ? 電子? ? ? ???電壓? ? ? ? ? ? ?電壓
芯片輸出（Chip Output）? ? ? ? ? ? ? ?? 電壓? ? ? ? ? 數(shù)據(jù)? ? ? ? ? ???數(shù)據(jù)