CCD相机和CMOS相机的比较

什么是CMOS

CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)是互补金属氧化物半导体。CMOS相机原理框图如下：

CMOS相机主要组成部分是像敏单元阵列和MOS场效应管集成电路，这两部分是集成在同一块硅片上。也就是是说，每个像素包括两个部分：感光部分 – 像敏单元将光转换成点信号，信号预处理部分 – MOS场效应管。像素也是排成阵列，与CCD不同，每个像素都有其X、Y地址，并可分别由两个方向的地址译码器进行选择；输出信号送A/D转换器进行模数转换，变成数字信号输出。

CMOS相机像素结构

CMOS相机像素结构主要有无源像素图像传感器（Passive Pixel Sensor, PPS）和有源像素图像传感器（Active Pixel Sensor, APS）两种。下图是示意图

APS结构像素的放大器具有放大和缓冲功能，光生电子信号在像素内放大，然后用X-Y地址方式读出。

光敏二极管可以是CCD相同的MOS电容结构。

CMOS相机的像素信号是先放大-再读出。

CCD相机和CMOS相机的比较

相同之处：

探测机理相同，都是利用光电效应。

不同之处：

1.         CCD使用LSI（大规模集成电路）相差甚远的制造工艺，CMOS基于CMOS LSI制造工艺。

2.         CCD入射光产生的信号电荷未经放大，利用CCD耦合机理转移到输出电路，在输出电路放大信号；CMOS在像素内就对入射光产生的信号电荷进行了放大，再利用XY地址方式选择读出放大后的信号 – 电压或电流。CCD需要依次将像素电荷包向移位寄存器移动，通过移位寄存器输出信号，转移费时，而CMOS像素的信号直接读出。相对而言，CMOS没有CCD电荷包转移过程引入的转移噪声。此外，CCD在电荷包转移过程中，容易受到漏光的影响，CMOS直接读出，转移过程则不受漏光噪声的影响；

3.         CCD相机按像素列（或行）排列顺序读出，而CMOS是X-Y地址选择像素的方式读出，易于控制；

4.         CCD像素结构比较简单，CMOS像素结构复杂：包含光敏MOS、放大器、行选择开关（场效应管）等。

性能比较

由于CMOS灵敏度、分辨率、暗电流、信噪比不如CCD，科学级相机，特别是测弱光，主要还是CCD。

CCD和CMOS相机的局限性

CCD和CMOS的信号是一定时间间隔内的光电效应产生的电子数，是光生电子速率对时间的积分。而光生电子速率与光波长和光子流率相关，两束不同波长的光，当波长和光子流率满足一定的关系时，光生电子速率相同，因此CCD无法区分入射光波长，也就是说CCD和CMOS没有能量分辨能力。

我公司代理的另外一种探测器 – 混合光子计数器（Hybrid photon counter, HPC） – 就没有这种局限，同时也能测量光子流率。

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