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（本文主要討論機(jī)器視覺(jué)成像普通工業(yè)相機(jī)（可見(jiàn)光波段）中CCD芯片與CMOS芯片的優(yōu)劣，關(guān)于CMOS和CCD
在近紅外、近紫外成像以及其它特殊成像領(lǐng)域包括機(jī)器視覺(jué)成像的全面比較，請(qǐng)見(jiàn)FA知識(shí)庫(kù)的另一篇文章）
2015年初，世界上最大的CCD感光芯片制造商Sony（索尼）宣布停產(chǎn)所有基于此技術(shù)的芯片。目前，很多用戶(hù)都在詢(xún)問(wèn)
最新的CMOS芯片相對(duì)于舊芯片的優(yōu)勢(shì)；特別是考慮到有些用戶(hù)一直都在使用基于CCD的相機(jī)，他們更需要搞清楚這一問(wèn)題。
本文中，德國(guó)相機(jī)BASLER將簡(jiǎn)要介紹感光芯片技術(shù)，對(duì)新的CMOS芯片與現(xiàn)有的CCD芯片進(jìn)行比較，并就何時(shí)應(yīng)該選擇CMOS
芯片的新相機(jī)提供建議。
目前市場(chǎng)上既有CCD（charge coupled device，電荷耦合器件）成像芯片，也有CMOS（complementary metal oxide
semiconductor，互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）成像芯片。它們的任務(wù)是將光信號(hào)（光子）轉(zhuǎn)換成電信號(hào)（電子）。然而，
兩種芯片類(lèi)型在傳輸這一信息時(shí)采用了不同的方法和手段，其各自的設(shè)計(jì)也是完全不同的。
在CCD芯片中，光敏像素的電荷發(fā)生移位并被轉(zhuǎn)化為信號(hào)。像素電荷產(chǎn)生于對(duì)半導(dǎo)體的曝光，在許多非常小的移位操作
（垂直和水平移位寄存器）的支持下（類(lèi)似于“斗鏈”），被傳輸?shù)街醒肽?shù)轉(zhuǎn)換器。 由芯片中的電極所產(chǎn)生的電場(chǎng)推動(dòng)
電荷的傳輸：
在CMOS芯片中，并行于每個(gè)像素放置了存儲(chǔ)電荷的電容。當(dāng)每個(gè)像素曝光時(shí)，這個(gè)電容器被光電電流充電。電容器中產(chǎn)
生的電壓與亮度和曝光時(shí)間成正比。不同于CCD，因芯片曝光而由電容捕獲的電子不會(huì)移位到單個(gè)輸出放大器，而是會(huì)通
過(guò)每個(gè)像素自己的關(guān)聯(lián)電子電路直接轉(zhuǎn)化為可測(cè)量的電壓。然后，這個(gè)電壓可用于模擬信號(hào)處理器。 通過(guò)使用每像素額外
的電子電路，每個(gè)像素都可以被定位，而無(wú)需CCD中的電荷移位。由此，對(duì)圖像信息的讀取速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于CCD芯片，且因
光暈和拖尾等過(guò)度曝光而產(chǎn)生的非自然現(xiàn)象的發(fā)生頻率要低得多，也可能根本不會(huì)發(fā)生。其缺點(diǎn)是為每個(gè)像素電子電路提
供所需的額外空間不會(huì)作為光敏區(qū)域。由此，芯片表面上的光敏區(qū)域部分（定義為填充因子）小于CCD芯片。從理論上講，
由于這個(gè)原因，可以收集的圖像信息光子數(shù)會(huì)有所減少。不過(guò)，我們有方法削減這一劣勢(shì)。
CCD芯片（左）和CMOS芯片（右）的設(shè)計(jì)。在CCD芯片中，電荷是逐像素進(jìn)行進(jìn)一步的移位。而CMOS芯片與此相反：
它每個(gè)像素的電荷是直接轉(zhuǎn)換為電壓和讀數(shù)，這使得CMOS芯片的速度明顯更快。
2. 當(dāng)需要高分辨率時(shí)：請(qǐng)選擇多抽頭CCD芯片
CCD芯片中的電荷傳輸需要大量的時(shí)間。對(duì)于高分辨率芯片，這是一個(gè)明顯的劣勢(shì)：因?yàn)橄袼財(cái)?shù)眾多，電荷必須由許多移
位操作送入中央放大器。這限制了最大幀速率。解決這個(gè)問(wèn)題的技術(shù)手段是多抽頭芯片。
在多抽頭芯片中，芯片表面被劃分為多個(gè)抽頭區(qū)域。每個(gè)抽頭區(qū)域都有自己的電子電路，名叫抽頭，可為每個(gè)抽頭區(qū)域創(chuàng)
建信號(hào)和單個(gè)輸出。出自抽頭區(qū)域的圖像信息被抽頭在較短距離內(nèi)同步進(jìn)行移位、放大和選擇，因此速度更快。這些區(qū)隨
后必須重新組成一幅圖像。多抽頭過(guò)程提供了高分辨率和速度，但也有缺點(diǎn)：非常復(fù)雜。必須逐一對(duì)各個(gè)抽頭電子電路進(jìn)
行仔細(xì)調(diào)整。因?yàn)槌轭^區(qū)域的邊界很明顯，所以即使是最小的偏差都會(huì)導(dǎo)致圖像中產(chǎn)生可見(jiàn)的差異：最重要的是人眼可見(jiàn)。
多抽頭芯片的能耗通常較大，從而導(dǎo)致發(fā)熱量增加。這往往會(huì)增加芯片的噪聲，必要的時(shí)候必須適當(dāng)采取降溫措施。
得益于其高速度和內(nèi)部設(shè)計(jì)，CMOS芯片也能提供更高的分辨率，
而不用多抽頭體系結(jié)構(gòu)。
3. 為什么在普通工業(yè)相機(jī)的應(yīng)用中最新的CMOS芯片優(yōu)于CCD芯片
| 新的CMOS芯片 | 新的CMOS芯片 | |
| 快門(mén) | 全局快門(mén) | 全局快門(mén)或滾動(dòng)快門(mén) |
| 同一分辨率的相機(jī)/芯片的成本 | 非常高 | 從中等（全局快門(mén)）到非常低（滾動(dòng)快門(mén)芯片的成本 |
| 最大讀出速度 | 通常不高于20 fps | 非常高（例如400萬(wàn)像素的全局快門(mén)芯片可達(dá)180 fps) |
| 電耗 | 高 | 低 |
| 發(fā)熱:如果不降溫噪聲會(huì)較高 | 非常高 | 低 |
| 成像質(zhì)量：動(dòng)態(tài)范圍 | 高 | 低到非常高 |
| 成像質(zhì)量：靈敏度 | 高 | 低到非常高 |
| 成像質(zhì)量：低噪點(diǎn) | 幾乎沒(méi)有 | 幾乎沒(méi)有 |
| 抽頭配置的成像干涉 | 可能需要，必須費(fèi)力校準(zhǔn)（只適用于多抽頭CCD芯片) | 無(wú) |
| 成像非自然“光暈” | 有 | 無(wú) |
| 成像非自然“拖尾” | 有 | 無(wú) |
傳感器的情況。
高分辨率全局快門(mén)CMOS芯片是在最近才推出的。以前的許多芯片只使用滾動(dòng)快門(mén)。今天許多CMOS芯片的成像質(zhì)量
也已經(jīng)優(yōu)于CCD芯片的成像質(zhì)量。CCD芯片市場(chǎng)的世界領(lǐng)導(dǎo)者索尼之所以會(huì)停產(chǎn)CCD芯片，并在未來(lái)完全集中于CMOS，
這也是原因之一。
4. 何時(shí)應(yīng)考慮更換相機(jī)技術(shù)？
如果對(duì)以下一個(gè)或多個(gè)問(wèn)題的答案是“是”，那么就應(yīng)該更換為CMOS技術(shù)。這一原則既適用于現(xiàn)有系統(tǒng)，也適用于待開(kāi)發(fā)
的新系統(tǒng)：
來(lái)自智能交通系統(tǒng)(ITS)的一個(gè)例子：左邊的圖像由4抽頭CCD芯片（ON Semiconductor（原柯達(dá)）的KAI4050芯片）拍
攝。右邊的圖像 由來(lái)自Sony的IMX174 CMOS芯片拍攝。右邊圖像的動(dòng)態(tài)范圍顯然更高，因?yàn)樗梢栽谕粡垐D片中更好
地識(shí)別司機(jī)和牌照。此外，在 設(shè)置幾乎相同的情況下，該芯片顯然更靈敏，相應(yīng)地能在背景中提供更多細(xì)節(jié)。
要全面比較成像質(zhì)量，應(yīng)該看在其他設(shè)置相同的情況下芯片噪聲增 加的趨勢(shì)。信噪比(SNR)最好由均勻淺灰色表面（下圖）
的圖像灰度目標(biāo)尺寸級(jí)頻譜（上圖）來(lái)決定?；疑殿l譜的寬度越低越好。示例中顯示了 淺灰色表面及其灰度級(jí)頻譜的
圖像：左邊使用的是Sony ICX625的 CCD全局快門(mén)芯片，右邊的是e2V的CMOS全局快門(mén)芯片EV76C560。像素大小的影響
已經(jīng)消除。 所需的分辨率取決于圖像中要識(shí)別的細(xì)節(jié)。
5. 就集成而言，選擇基于CMOS的最新相機(jī)時(shí)應(yīng)該考慮哪些方面？
。確定正確的相機(jī)分辨率： 所需的分辨率取決于需要在圖像中顯示的細(xì)節(jié)。
6. 總結(jié)
現(xiàn)代的CMOS芯片均普遍優(yōu)于多抽頭CCD或標(biāo)準(zhǔn)CCD芯片(在普通工業(yè)相機(jī)特別是可見(jiàn)光領(lǐng)域）。這不僅僅在理想情況下應(yīng)
該更高（以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中的性能改進(jìn)）于價(jià)格方面，而且還因?yàn)槊鞔_的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，包括更快的速度、更高的分辨率、更少的
圖像干涉或極低的發(fā)熱。使用新的基于CMOS相機(jī)EMVA數(shù)據(jù) 的集成調(diào)換或替代CCD芯片可以非常簡(jiǎn)單，特別是如果用戶(hù)
選擇的應(yīng)該相同或更好硬件和軟件符合標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于您的應(yīng)用程序，這意味著很多優(yōu)勢(shì)，比如檢查零件的傳輸量可以顯著增
加，而相機(jī)和檢驗(yàn)系統(tǒng)的成本大大靈敏度/波長(zhǎng) 減少，同時(shí)不會(huì)降低圖片質(zhì)量。
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