作者： 时间：2021-12-24
在图像传感器的类型上，有CMOS和CCD两种，CMOS和CCD图像传感器技术是在1960年代开发的，是一种将光学图像转换成电子信号的设备，它被广泛地应用在数码相机和其他电子光学设备中。尽管在过去40年CCD传感器一直主导着市场，但CMOS传感器设计的改进使其市场份额不断增长，而且CMOS似乎已在许多图像传感器应用中取代CCD。很多时候，熟悉和使用CCD传感器的用户可能会对激光光束分析相机中使用CMOS图像传感器而存在处理图像效果的担忧。本文简要概述图像传感器的类型中CMOS和CCD的原理，通过Dataray传感器的应用上进行CMOS和CCD的对比，在图像传感器的对比概述上分析CMOS相对CCD的优势以及使其成为图像传感器市场竞争者的改进。
图1 左CCD传感器（左）和CMOS传感器（右）原理
电荷耦合器件(Charged Coupled Device, CCD)传感器的最基本级别是由一组光电探测器组成。在光电探测器中的光电二极管（photodetectors, PD）用于捕捉光，一般用于实现这一功能的是PIN二极管或PN结器件。当一个光子撞击光电探测器时，由于光电效应导致一个电子从光电探测器中释放出来，使得从光电探测器释放的电子数量与入射光子的数量成正比。电子（电荷）存储在像素下方的电子势阱中。由于该设备是数字设备，因此每个像素的电荷都必须转换为数字信号，而最靠近CCD图像传感器边缘的像素将其电荷从传感器上转移。电荷逐个像素地移动到相邻像素，直到它们移到边缘像素再到达专用读出区域的放大器。因为当电荷从CCD图像传感器中移除时便被转换为电压，一旦从CCD图像传感器中移除电压，外部电子设备就会放大电压并将其转换为数字信号。如图2，是Dataray传感器中的CCD图像传感器。
图2 Dataray传感器，WinCamD-UCD15 1/1.8" CCD图像传感器
互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor, CMOS)传感器也是和CCD传感器一样，通过光电探测器探测光并通过光电效应取代电子。然而，一旦电子存储在势阱中，就会发生不同的过程，这也是CMOS和CCD的原理上，与CCD有很大不同。CMOS传感器的每个像素都有电路，可将电荷转换为电压，而不是像CCD传感器一样通过图像传感器传输电荷并在芯片角落读取电荷，该电压通过传感器上的电路直接放大，然后通过读出区域放大器发送读数。此外，在MOS和CCD的对比中，CMOS相对CCD的优势上CMOS传感器通常具有多个电压被读出的通道。如图3，是Dataray传感器中的CMOS图像传感器。
图3 Dataray传感器，WinCamD-LCM4 1" CMOS 图像传感器
多年来，CCD传感器是主要使用的传感器，使用CCD的主要原因是它们的噪声水平较低。随着CMOS传感器技术的进步，降低了CMOS本底噪声，CMOS的多通道读出降低了每个通道的带宽并降低了传输噪声。CCD传感器以前的一个优势是全局快门，其中，每个像素同时记录光线；而一般的CMOS传感器专门制造带有卷帘快门，进行逐排像素检测光对于激光轮廓相机（光斑分析仪）通常会记录来自脉冲激光的数据，例如短脉冲激光，滚动快门仅记录某些像素行的照明，而其他像素行则是暗的，所以CMOS相对CCD的优势上，CMOS具有较高的可靠性及较强的抗干扰能力，且CMOS图像传感器构成的单芯片采集模块提高了系统集成度，有效降低了系统体积和成本，方便安装和携带。另外，CCD传感器比CMOS传感器更容易受到激光的干扰和损伤甚至严重损坏，而CMOS相机具有很好的抗干扰和抗损伤能力。
在图像传感器的类型CMOS和CCD的对比上，从CMOS和CCD的原理上，CMOS传感器具有多项优势，在当今图像传感器市场的前沿。与CMOS传感器相比，CCD传感器具有晕染效应，这使它们处于劣势。原因是CMOS和CCD的原理上的不同，当CCD传感器具有过饱和像素时，来自像素的电荷会填充势阱并溢出到周围的像素中。但是，由于CMOS像素是独立的，并且不会相互传输电荷，因此在CMOS传感器中看不到这种效果。如图3，Dataray传感器上，在光束图像上，CMOS和CCD的对比中，CCD传感器上的光束图像有光晕效果，因为光束使像素饱和并溢出到周围的垂直像素中；相同光束，CMOS传感器上的光束图像没有出现CCD传感器的光晕效应，这是从图像信息处理速度上，CMOS相对CCD的优势表现。
图4 在光束图像成像上，CMOS和CCD的对比
CMOS传感器所需的功率比同类CCD传感器小，而且处理图像的速度要快得多。虽然CCD传感器的通道数量有限（通常为两个），其中像素数据从芯片传输，但CMOS传感器可以具有任意数量的通道，有些传感器多达16个。传感器的读出通道越多，传感器处理图像的速度就越快。另外，在传感器原理上的不同，由于CMOS传感器在每个像素处将电荷转换为电压，因此可以使用芯片上的电子设备完成一些信号处理，这消除了对外部电路的需求。
CCD传感器的另一个优势是成本。虽然CCD传感器有专门的装配线来制造CCD传感器，但CMOS传感器是用传统的硅片生产线制造的，在制造成本上更经济。当今移动设备中大量使用的CMOS图像传感器，使得图像传感器制造商在CMOS传感器改进方面投入了大量资金。
对于DataRay的激光光束分析相机，过去，DataRay相机专门使用CCD图像传感器。但是，随着CMOS图像传感器的不断发展和改进，CMOS相对CCD的优势越来越高。DataRay传感器已逐渐将CMOS传感器更多的纳入DataRay相机产品线。DataRay最新的相机WinCamD-LCM4使用1英寸CMOS传感器能提供准确可靠的光束轮廓测量，所使用的CMOS传感器是先进的，更具有特殊工业相机使用特点的全局快门和大表面积的优势特色。
