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图像传感器之争,CMOS终究要淘汰CCD?

2019-12-13 10:23 物联传媒

导读:目前市面上使用较多的主要是CCD图像传感器和CMOS图像传感器。从时间进程上来看,虽然两者都是在上世纪60年代诞生,但是CCD要比CMOS早一些。而两者在工作原理、制造工艺、结构和参数上存在着较大的差异。

社会和科技的发展、人类的生活已经离不开各式各样的摄像头,而图像传感器是各类相机、和摄像头中最重要的一个部分。总体来说,其原理主要是通过将外界的光信号转换成电信号,通过一系列的转换进行图像显示。

目前市面上使用较多的主要是CCD图像传感器和CMOS图像传感器。从时间进程上来看,虽然两者都是在上世纪60年代诞生,但是CCD要比CMOS早一些。而两者在工作原理、制造工艺、结构和参数上存在着较大的差异。

差异在哪?

首先CCD传感器基本工作原理是将光照射到每个像素(光敏单元)产生的电荷进行积累。但是需要指出的是,CCD只有一个读出端口,所以每个像素之间的电荷需要进行串行移动至输出端口,通过电荷/电压的转换,一个放大器以及A/D转换后得到图像。

CMOS传感器的工作原理则另辟蹊径,它是在每个像素点的位置进行电荷/电压转换,而不是串行后转换。这也给CMOS带来了与CCD不同的优缺点。相关的优缺点对比,放在后面再说。

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由于工作原理不同,造成CCD和CMOS在感光元件结构组成上也有较大差异。CCD在感光元件结构上除了串行用的相邻电荷存储单元,大部分面积都被感光二极管占据。而COMS感光元件相对来说就比较复杂,由于是每个像素点产生电压,所以每个像素点上除了感光二极管外,还有放大器和A/D转换电路,所以这就造成了CMOS的开口率相对较低。所以在控制光照、面积等变量的情况下,CMOS所能获取的光信号要小于CCD,在输出结果上,CMOS所能获取的图像内容质量不及CCD。

从制造上来说,CCD的制造主要是集成在半导体单晶材料上,并且制造工艺相对复杂,核心技术主要掌握在日本企业手中,例如索尼、松下。说回来,其实,CMOS是集成在金属氧化物的半导体上,制造工艺也相对来说比较常见,与计算机芯片差别不大,如用于逻辑晶片、微处理器和记忆体模组的工艺。

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顺便提一下,由于CCD刚研发出来的时候,制造工艺还不成熟,良品率极低,美国厂商认为CCD发展前景一般,越来越少的企业研发CCD,而索尼、松下等日本企业对CCD十分感兴趣,最后巨资研究掌握了规模化生产的技术。但是,80年代后,其他地区电子厂商也想在图像传感领域分得一杯羹,并相继研发CMOS,21世纪初至今,在手机及某些大发快三领域,CMOS性能达到了与CCD可以一战的地位。

优缺点分析

如上文所述,由于CCD相对于CMOS最大的优势在于图像质量方面,CCD的技术历程相对更久,技术也更加成熟,同时CCD并非像CMOS那样在每个像素点进行电荷转换,所以噪音相对较小,信噪比也就优于CMOS。而CMOS依靠着成熟的制作工艺以及有别于CCD的工作原理,在集成度、成本以及功耗上要略胜一筹。不过随着技术的发展,目前CMOS在图像质量方面有很大的提升,市场份额也在逐步增加。

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谁能称霸?为时过早

现在有很多言论表示,“最终,CMOS解决图像质量的问题将会取代CCD”。技术不会消失,只会变得越来越强大,CCD和CMOS在未来将会齐头并进。虽然CMOS在智慧城市、智能硬件等领域逐渐强大起来,但是在医疗、科学成像以及工业检测等精密度需求较高的领域,CCD依然是首选。

譬如,CMOS拥有数以千计的单独像素放大器,而CCD的单个放大器能够保证影像的高均匀性,而且CCD更加容易在缩放至高解析度和大光学格式保持均匀性。

所以,CCD和CMOS到底谁能垄断图像传感器市场的答案已经很清晰了,因为只有需求才能决定两种传感器孰是孰非。