简述工业相机感光芯片CCD和CMOS的区别

CCD (电荷耦合器件)和CMOS(互补金属氧化物半导体)图像传感器是两种不同的数字图像捕捉技术。每种技术都有独特的优点和缺点，在不同应用中具有优势。

这两种成像器都将光转换为电荷，并将其处理为电子信号。在CCD传感器中，每个像素的电荷通过非常有限的输出节点(通常只有一个)传输，以转换为电压、缓冲并作为模拟信号发送到芯片外。所有像素都可以专门用于捕捉光，输出的均匀性(图像质量的关键因素)很高。在CMOS传感器中，每个像素都有自己的电荷到电压的转换，传感器通常还包括放大器、噪声校正和数字化电路，因此芯片输出的是数字位。这些其他功能增加了设计复杂性，并减少了用于光捕获的面积。由于每个像素都进行自己的转换，因此均匀性较低，但它也具有大量的并行性，允许高速的总带宽。

CCD和CMOS成像器都依赖于光电效应从光中产生电信号。
ccd和cmos成像仪都是在20世纪60年代末和70年代发明的(dalsa的创始人savvaschamberlain博士是开发这两种技术的先驱)。CCD占据了主导地位，主要是因为它们在现有的制造技术下提供了更优越的图像。CMOS图像传感器需要比硅晶圆代工厂当时能够提供的更多的均匀性和更小的特性。直到20世纪90年代，平版印刷技术才发展到设计师可以再次为CMOS成像器找理由的地步。对CMOS的重新兴趣是基于对降低功耗、芯片上摄像头集成以及重新使用主流逻辑和存储器件制造降低制造成本的期望。在实际操作中实现这些好处，同时提供高质量的图像，需要比最初预测的时间、金钱和工艺调整要多得多，但CMOS图像传感器已经与CCD一起成为主流、成熟的技术。
工作原理
CCD：通过将光电子转换成电荷，并将电荷储存在芯片的特定区域中，然后在同步信号控制下，逐行将电荷转移并读取，再转换成数字信号。
CMOS：每个像素都包含一个转换器和一个放大器，外界光照射到像素阵列后，发生光电效应，在像素单元内产生相应的电荷，直接转换成电流（或电压）信号，可同时处理各单元的图像信息。
性能特点
图像质量
CCD：灵敏度高，噪音小，电荷转移效率高，在低光环境下表现好，能捕捉更广泛的亮度范围，图像的通透性、明锐度好，色彩还原准确。
CMOS：早期成像质量相对较差，通透性一般，色彩还原能力偏弱，曝光不太准确。但随着技术进步，现代 CMOS 传感器在动态范围、信噪比和分辨率方面已接近甚至超过 CCD。
速度
CCD：需在同步时钟控制下以行为单位一位一位地输出信息，速度较慢。
CMOS：采集光信号的同时就可以取出电信号，还能同时处理各单元的图像信息，读取速度快，适用于高速连拍和视频录制。
功耗
CCD：大多需要三组电源供电，耗电量大。
CMOS：只需使用一个电源，耗电量小，仅为 CCD 的 1/8 到 1/10。
制造成本
CCD：制造工艺复杂，需要特殊的制造技术和专用生产线，集成度较低，且控制成品率困难，成本高。
CMOS：采用标准的半导体制造工艺，可与微处理器等其他电子组件集成在同一芯片上，集成度高，制造成本低。
应用场景
CCD：因其高质量的图像输出，在对图像质量要求极高的专业领域，如航空摄影、天文观测、科研、医疗成像等中仍占有一席之地。
CMOS：由于成本效益、低功耗和高速度特性，广泛应用于消费电子产品，如手机摄像头、便携式相机，以及安全监控、汽车视觉系统等领域。

机器视觉成像器
在机器视觉领域，由于巨大的手机成像投资，区域和线扫描成像器取代了CCD。对于大多数机器视觉区域和线扫描成像器，CCD也是一种过时的技术。

CMOS图像传感器在机器视觉中的性能优势值得简要解释。对于机器视觉，关键参数是速度和噪声。CMOS和CCD图像传感器在将信号电荷转换为模拟信号并最终转换为数字信号的方式上有所不同。在CMOS区域和线扫描图像传感器中，此数据路径的前端是大规模并行。这使得每个放大器具有较低的带宽。当信号到达数据路径瓶颈时，通常是图像传感器和片外电路之间的接口，CMOS数据已牢固地处于数字领域。相比之下，高速CCD具有大量的并行快速输出通道，但不像高速CMOS成像器那样具有大量的并行性。因此，每个CCD放大器具有更高的带宽，这会导致更高的噪声。因此，高速CMOS成像器可以设计得比高速CCD具有更低的噪声。然而，这个一般性陈述有一些重要的例外。

为应用选择正确的成像器从来都不是一件简单的事情。不同的应用有不同的要求。这些要求施加了限制，影响性能和价格。考虑到这些复杂性，对于CMOS和CCD成像器，不可能做出适用于所有应用的普遍陈述，这并不奇怪。
在大多数可见光成像应用中，CMOS区域和行扫描成像器的性能优于CCD。用于高速、低光应用中的TDI CCD的性能优于CMOS TDI。在需要近红外成像的情况下，CCD在某些区域和行扫描应用中可能是一个更好的选择。在紫外光成像中，背面削薄后的表面处理是关键，以及全局快门的要求。对极低噪声的需求引入了新的限制，CMOS在高速读出速度上通常仍优于CCD。价格与性能的权衡可能有利于CCD或CMOS成像器，这取决于杠杆作用、批量和供应安全。