CCD和CMOS区别原理
CCD和CMOS摄像头成像原理以及其他区别
CCD和CMOS摄像头成像原理以及其他区别成像原理：CCD摄像头的成像原理基于电荷耦合器件。
它由一个二维阵列组成，每个单元都能够捕捉光的能量并将其转化为电荷信号。
这些电荷信号在行和列之间传输，最终被转换为模拟电压信号。
然后，这些模拟信号通过模数转换器转换为数字信号进行处理。
CMOS摄像头的成像原理则是基于互补金属氧化物半导体技术。
它由一组光电二极管和放大器组成，每个像素都有自己的放大器。
当光照射到像素上时，光电二极管会产生电流，放大器将其放大并转换为电压信号。
这些电压信号可以直接转换为数字信号进行处理。
工作原理：CCD摄像头的工作原理是将每个像素的电荷值逐个传递到一个读出电路中。
在每个传递过程中，电荷信号会被逐渐放大和整合，然后传输到模数转换器进行数字化。
这种逐行扫描方式可以提供较高的图像质量和灵敏度，但需要较长的读取时间。
CMOS摄像头的工作原理是通过每个像素的独立电路来直接转换光信号为电压信号。
每个像素都有自己的放大器和模数转换器，可以同时工作。
这种并行读取方式使得CMOS摄像头具有较快的读取速度和较低的功耗。
其他区别：1.灵敏度：由于CCD摄像头的电荷耦合原理，在低光条件下表现出色，具有较高的灵敏度。
而CMOS摄像头的灵敏度较低，容易出现图像噪点。
2.功耗：CMOS摄像头相比CCD摄像头具有较低的功耗，这使得它在便携设备和电池供电应用中更受欢迎。
3.成本：CMOS摄像头的制造成本较低，因为它使用了标准CMOS制程。
相比之下，CCD摄像头的制造成本较高。
4.图像质量：由于CCD摄像头的灵敏度和噪点表现，它通常能够提供更高的图像质量，尤其在高动态范围和低光条件下。
CMOS摄像头由于噪点较高，图像质量可能受到一些影响。
5.集成度：CMOS摄像头具有更高的集成度，可以在同一芯片上集成其他功能，如图像处理和通信接口。
这使得CMOS摄像头更适合于多功能摄像头应用。
总结而言，CCD和CMOS摄像头在成像原理、工作原理、灵敏度、功耗、成本、图像质量和集成度等方面存在一些区别。
ccd与cmos传感技术的原理、作用及其区别对比详解
ccd与cmos传感技术的原理、作用及其区别对比详解无论是CCD还是CMOS，它们都采用感光元件作为影像捕获的基本手段，CCD/CMOS感光元件的核心都是一个感光二极管（photodiode），该二极管在接受光线照射之后能够产生输出电流，而电流的强度则与光照的强度对应。
但在周边组成上，CCD的感光元件与CMOS的感光元件并不相同，前者的感光元件除了感光二极管之外，包括一个用于控制相邻电荷的存储单元，感光二极管占据了绝大多数面积—换一种说法就是，CCD感光元件中的有效感光面积较大，在同等条件下可接收到较强的光信号，对应的输出电信号也更明晰。
而CMOS感光元件的构成就比较复杂，除处于核心地位的感光二极管之外，它还包括放大器与模数转换电路，每个像点的构成为一个感光二极管和三颗晶体管，而感光二极管占据的面积只是整个元件的一小部分，造成CMOS传感器的开口率远低于CCD （开口率：有效感光区域与整个感光元件的面积比值）；这样在接受同等光照及元件大小相同的情况下，CMOS感光元件所能捕捉到的光信号就明显小于CCD元件，灵敏度较低；体现在输出结果上，就是CMOS传感器捕捉到的图像内容不如CCD传感器来得丰富，图像细节丢失情况严重且噪声明显，这也是早期CMOS 传感器只能用于低端场合的一大原因。
CMOS开口率低造成的另一个麻烦在于，它的像素点密度无法做到媲美CCD的地步，因为随着密度的提高，感光元件的比重面积将因此缩小，而CMOS开口率太低，有效感光区域小得可怜，图像细节丢失情况会愈为严重。
因此在传感器尺寸相同的前提下，CCD 的像素规模总是高于同时期的CMOS传感器，这也是CMOS长期以来都未能进入主流数码相机市场的重要原因之一。
每个感光元件对应图像传感器中的一个像点，由于感光元件只能感应光的强度，无法捕获色彩信息，因此必须在感光元件上方覆盖彩色滤光片。
在这方面，不同的传感器厂商有不同的解决方案，最常用的做法是覆盖RGB红绿蓝三色滤光片，以1：2：1的构成由四个像点构成一个彩色像素（即红蓝滤光片分别覆盖一个像点，剩下的两个像点都覆盖绿色滤光片），采取这种比例的原因是人眼对绿色较为敏感。
ccd和cmos原理
ccd和cmos原理
CCD和CMOS是两种常见的图像传感器技术，它们在数码相机、摄像机等设备中被广泛采用。
CCD（Charge-Coupled Device）即电荷耦合器件，它是由大量光敏元件和信号传输电路组成的集成电路。
CCD的工作原理是基于光电效应，当光线照射到CCD上时，光子被光敏元件吸收并转化为电荷。
这些电荷按照特定的方式传输到读出电路中，最终转化为数字信号。
CCD传感器具有高灵敏度、低噪声等特点，适用于要求较高图像质量的应用领域。
CMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）即互补金属氧化物半导体，它是另一种图像传感器技术。
CMOS传感器由像素阵列、控制逻辑和信号处理电路等组成。
CMOS
传感器的工作原理是通过控制每个像素的 MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）来实现图像捕捉和信号处理。
CMOS传感器具有功耗低、集成度高等优势，适用于功耗敏感的便携设备。
CCD和CMOS的主要区别在于信号读取方式和电路结构。
CCD传感器采用串行读取方式，需要较多的控制电路和电荷传输电路，相对复杂。
而CMOS传感器采用平行读取方式，每个像素都有自己的读出电路，使得整个图像采集过程更加简化。
总之，CCD和CMOS是两种不同的图像传感器技术，它们在
光电转换、信号处理和功耗等方面有所差异，适用于不同的应用场景。
ccd和cmos的异同
ccd和cmos的异同CCD与CMOS传感器是当前被普遍采用的两种图像传感器，两者都是利用感光二极管进行光电转换，将图像转换为数字数据，而其主要差异是数字数据传送的方式不同。
一般而言普通的数码相机中使用CCD芯片的成像质量要好一些。
CCD与CMOS传感器是当前被普遍采用的两种图像传感器，两者都是利用感光二极管进行光电转换，将图像转换为数字数据，而其主要差异是数字数据传送的方式不同。
一般而言普通的数码相机中使用CCD 芯片的成像质量要好一些。
CCD 是目前比较成熟的成像器件，CMOS 被看作未来的成像器件。
CCD 与 CMOS 相同之处两种类型的传感器都以完全相同的方式检测光。
入射光子撞击硅原子，硅原子是半导体。
当发生这种情况时，原子中的一个电子被提升到更高的能级（轨道），称为导带。
硅通常表现得像绝缘体，所以它的电子不能四处移动。
但是一旦电子被提升到导带，就可以自由地移动到其他相邻的原子，就像硅是金属一样。
什么是绝缘体变成导体–这就是硅被称为半导体的原因。
在光学传感器中，这些现在可移动的电子被称为光电子。
两种类型的传感器都使用像素。
像素只是硅的一个小方形区域，它收集并保持这些光电子。
通常的比喻是田间的一系列水桶，每个都收集雨水。
如果你想知道在该领域的任何部分下雨了多少，你只需要测量每个桶的充满程度。
到目前为止，CCD 和CMOS 的一切都是一样的; 这是一个非常不同的测量过程。
CCD 与 CMOS 不同之处电荷耦合器件（CCD）是更老，更成熟的技术。
这些芯片采用NMOS 或 PMOS 技术制造，这种技术在 70 年代很流行，但在今天很少使用。
在读出期间，CCD 将电子从像素移动到像素，就像桶式旅一样。
它们通过传感器一角的读出放大器一个接一个地移出。
这样做的最大好处是每个像素都以相同的方式测量。
使用单个读出放大器使读出过程非常一致。
这样可以生成具有低固定模式噪声和读取噪声的高质量数据。
像素中也没有浪费的空间，这是 CMOS 传感器的问题。
CCD与CMOS的区别
在传统观念中，CCD代表着高解析度、低噪点等优点，而CMOS由于噪点问题，一直与电脑摄像头、手机摄像头等对画质要求不高的电子产品联系在一起。
但是现在CMOS摄像机绝非只局限于简单的应用，甚至发展于高清系列。
首先我们还是从CCD和CMOS的不同工作原理说起。
CCDCCD在工作时，上百万个像素感光后会生成上百万个电荷，所有的电荷全部经过一个“放大器”进行电压转变，形成电子信号，因此，这个“放大器”就成为了一个制约图像处理速度的“瓶颈”，所有电荷由单一通道输出，就像千军万马从一座桥上通过，当数据量大的时候就发生信号“拥堵”，而HDV格式却恰恰需要在短时间内处理大量数据，因此，在民用级产品中使用单CCD无法满足高速读取高清数据的需要。
而CMOS则不同，每个像素点都有一个单独的放大器转换输出，因此CMOS没有CCD的“瓶颈”问题，能够在短时间内处理大量数据，输出高清影像，因此也能都满足高清HDV的需求。
另外，CMOS工作所需要的电压比CCD低很多，功耗大约只有CCD的1/3。
因此,电池尺寸可以做得更小，使得摄像机的体积也就做得更小。
而且，每个CMOS都有单独的数据处理能力，这也大大减少的集成电路的体积，这也让高清数码摄像机得以实现小型化。
CCD1. 什么是CCD摄像机?CCD是Charge Coupled Device(电荷耦合器件)的缩写，它是一种半导体成像器件，因而具有灵敏度高、抗强光、畸变小、体积小、寿命长、抗震动等优点。
2. CCD摄像机的工作方式被摄物体的图像经过镜头聚焦至CCD芯片上，CCD根据光的强弱积累相应比例的电荷，各个像素积累的电荷在视频时序的控制下，逐点外移，经滤波、放大处理后，形成视频信号输出。
视频信号连接到监视器或电视机的视频输入端便可以看到与原始图像相同的视频图像。
CCD摄像机的工作方式3. CCD芯片的尺寸CCD的成像尺寸常用的有1/2"、1/3"等，成像尺寸越小的摄像机的体积可以做得更小些。
CCD传感器与CMOS传感器的区别
CCD传感器与CMOS传感器的区别CCD是电荷耦合器件(charge-coupled device), 它使⽤⼀种⾼感光度的半导体材料（p-Si）制成，能把光转变成电荷。
在⼀个⽤于感光的CCD中，有⼀个光敏区域（硅的外延层），和⼀个由移位寄存器制成的传感区域。
图像通过透镜投影在⼀列电容上（光敏区域），导致每⼀个电容都积累⼀定的电荷，⽽电荷的数量则正⽐于该处的⼊射光强。
如图在栅电极（G）中，施加正电压会产⽣势阱（黄），并把电荷包（电⼦，蓝）收集于其中。
只需按正确的顺序施加正电压，就可以传导电荷包，如图1所⽰。
图1 CCD像元及转移⽰意图多个像素电荷转移如图2所⽰，⼀旦电容阵列曝光，⼀个控制回路将会使每个电容把⾃⼰的电荷传给相邻的下⼀个电容（传感区域）。
图2 多像元转移⽰意图阵列中最后⼀个电容⾥的电荷，则将传给⼀个电荷放⼤器，并被转化为电压信号。
通过重复这个过程，控制回路可以把整个阵列中的电荷转化为⼀系列的电压信号，如图3所⽰。
图3 CCD读出电路⽰意图CMOS是互补型⾦属氧化物半导体（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）主要是利⽤硅和锗这两种元素所做成的半导体，使其在CMOS上共存着带N（带–电）和 P（带+电）级的半导体，利⽤这个⼯艺产⽣的成像传感器称为CMOS成像传感器。
⽬前其基本结构是⼀个光电⼆极管，⼀个浮置栅，传输门，复位门，选择们以及源级跟随读出管构成，称为4T单元结构。
如图4所⽰。
图4 典型的4管像元结构其他结构有三管结构和⼆管结构，如图5所⽰。
图5 三管像元结构(左)和⼆管像元结构(右)CCD图像传感器和CMOS图像传感器的主要区别如下：1.成像过程CCD与CMOS图像传感器光电转换的原理相同，都是把光⼦转换为电荷，如图6所⽰图6 光电转换⽰意图在制造上的主要区别是CCD是集成在半导体单晶材料上，⽽CMOS是集成在被称做⾦属氧化物的半导体材料上，他们最主要的差别在于信号的读出过程不同；由于CCD仅有⼀个（或少数⼏个）输出节点统⼀读出，其信号输出的⼀致性⾮常好；⽽CMOS芯⽚中，每个像素都有各⾃的信号放⼤器，各⾃进⾏电荷-电压的转换，其信号输出的⼀致性较差，数以百万的放⼤器的不⼀致性却带来了更⾼的固定噪声，这⼜是CMOS相对CCD的固有劣势。
CCD和CMOS传感器的原理及区别
CCD和CMOS传感器的原理及区别一、CCD和CMOS物理结构CCD 英文全名 Charge Coupled Device，感光耦合元件，CCD为数码相机中可记录光线变化的半导体，通常以百万像素〈megapixel〉为单位。
数码相机规格中的多少百万像素，指的就是CCD的解析度，也代表着这台数位相机的 CCD 上有多少感光元件。
CCD 主要材质为硅晶半导体，基本原理类似 CASIO 计算机上的太阳能电池，透过光电效应，由感光元件表面感应来源光线，从而转换成储存电荷的能力。
CCD 元件上安排有通道线路，将这些电荷传输至放大解码原件，就能还原所有CCD上感光元件产生的信号，并构成了一幅完整的画。
CMOS 英文全名 Complementary Metal-Oxide Semiconductor，互补性氧化金属半导体，CMOS和CCD一样同为在数码相机中可记录光线变化的半导体，外观上几乎无分轩轾。
但CMOS的制造技术和CCD 不同，反而比较接近一般电脑晶片。
CMOS的材质主要是利用硅和锗这两种元素所做成的半导体，使其在CMOS上共存着带N（带正电）和P （带负电）级的半导体，这两个互补效应所产生的电流即可被处理晶片纪录和解读成影。
二、CMOS和CCD传感器原理CCD与CMOS传感器是当前被普遍采用的两种图像传感器，两者都是利用感光二极管(photodiode)进行光电转换，将图像转换为数字数据，而其主要差异是数字数据传送的方式不同。
这种转换的原理与“太阳能电池”效应相近，光线越强、电力越强；反之，光线越弱、电力也越弱的道理，将光影像转换为电子数字信号。
比较CCD 和CMOS 的结构，ADC的位置和数量是最大的不同。
简单的说，CCD每曝光一次，在快门关闭后进行像素转移处理，将每一行中每一个像素（pixel）的电荷信号依序传入“缓冲器”中，由底端的线路引导输出至CCD 旁的放大器进行放大，再串联ADC 输出；相对地，CMOS 的设计中每个像素旁就直接连着ADC（放大兼类比数字信号转换器），讯号直接放大并转换成数字信号。
CCD和CMOS的差异以及以后的发展趋势
CCD与CMOS传感器是当前被普遍采用的两种图像传感器，两者都是利用感光二极管(photodiode)进行光电转换，将图像转换为数字数据，而其主要差异是数字数据传送的方式不同。
如下图所示，CCD传感器中每一行中每一个象素的电荷数据都会依次传送到下一个象素中，由最底端部分输出，再经由传感器边缘的放大器进行放大输出；而在CMOS传感器中，每个象素都会邻接一个放大器及A/D转换电路，用类似内存电路的方式将数据输出。
左图为CCD传感器的结构，右图为CMOS传感器的结构造成这种差异的原因在于：CCD的特殊工艺可保证数据在传送时不会失真，因此各个象素的数据可汇聚至边缘再进行放大处理；而CMOS工艺的数据在传送距离较长时会产生噪声，因此，必须先放大，再整合各个象素的数据。
由于数据传送方式不同，因此CCD与CMOS传感器在效能与应用上也有诸多差异，这些差异包括：1. 灵敏度差异：由于CMOS传感器的每个象素由四个晶体管与一个感光二极管构成(含放大器与A/D转换电路)，使得每个象素的感光区域远小于象素本身的表面积，因此在象素尺寸相同的情况下，CMOS传感器的灵敏度要低于CCD传感器。
2. 成本差异：由于CMOS传感器采用一般半导体电路最常用的CMOS工艺，可以轻易地将周边电路(如AGC、CDS、Timing generator、或DSP等)集成到传感器芯片中，因此可以节省外围芯片的成本；除此之外，由于CCD采用电荷传递的方式传送数据，只要其中有一个象素不能运行，就会导致一整排的数据不能传送，因此控制CCD传感器的成品率比CMOS传感器困难许多，即使有经验的厂商也很难在产品问世的半年内突破50%的水平，因此，CCD传感器的成本会高于CMOS传感器。
3. 分辨率差异：如上所述，CMOS传感器的每个象素都比CCD传感器复杂，其象素尺寸很难达到CCD传感器的水平，因此，当我们比较相同尺寸的CCD与CMOS传感器时，CCD传感器的分辨率通常会优于CMOS传感器的水平。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
(副教授) E-mail:
1. 机器视觉系统的组成 2. CCD在工业中的应用 3. CCD在工业领域的典型应用案例 4. 图像转换过程 5. CCD成像器件 6. CCD的特征参数
1.机器视觉系统的基本组成
机器视觉（Machine Vision)
机器 （Machine)
+
视觉 （Vision)
1、印刷包装行业
算法设计
预处理
图像训练
Blob定位
图像对比
Blob缺陷分析
特征点定位 图像位置调整
2、半导体行业
全自动划片机 Die bonder（粘片机） Wire bonder（键合机） AOI检测设备 全自动IC编带机 Flip-Chip bonder（倒装焊） Cog设备 液晶玻璃检测（FPD） 丝网印刷机 半导体光刻机
算法设计
边缘匹配：以图像边缘信息为基础，用边缘相关分数为相似性度量指标，在 实时图像中搜索和参考图像（包含特定特征）相一致特征的位置。边缘匹 配对灰度线性和非线性变化都有很好的适应性，但在线性变化条件下，精 度、鲁棒性、效率逊于区域匹配，并且不支持尺度和角度变化。
2、半导体行业
算法设计
几何匹配：以图像的几何特征为基础，用最小均方误差为度量指标，在 实时图像中搜索和参考模式相一致的位置及其间几何变换关系。几何 匹配对平移、尺度、角度提供全方位支持，精度、效率显著高于区域 和边缘匹配。几何定位一般适用于模式可几何描述的应用。
4、LCD行业
字段检测
点阵屏幕检测
5、烟草行业
异物剔除
5、烟草行业
条包检测
5、烟草行业
小包检测
5、烟草行业
机器人
6、ITS行业，
智能交通系统 (Intelligent Transport System）
治安卡口，重点路段监控
6、ITS行业
超速，闯红灯抓拍
6、ITS行业
公路路面检测
6、ITS行业
完成图像、现在条件约束、OEM商的长远发 展；
评估：速度、精度、可靠性（光照、旋转、遮盖、图像质量 差、重复测量误差等）
二、CCD在工业的应用简介
GIGI(Gauge、Inspection、Guide、Identification) 1、Gauge (Measurement)，测量
机械
运动
控制
视(硬件)
觉(软件)
机器视觉是一个系统的概念，运用现代先进的控 制技术、计算机技术及传感技术，表现为光机电 的结合。
包括光源、镜头、CCD相 机、图像采集卡等。
系统构成：
1.1光源
光源是基准，打光是艺术 种类：LED、萤光灯、卤素灯（光纤光源)、特殊光源 Garbage In, Garbage Out
3、PCB电子产品行业
底片检查 PCB AOI（蚀刻工序后进行检查） SMT AOI（回流焊后检查） 贴片机 电子接插件检测
3、PCB电子行业
SMT AOI，自动焊接
光源由红、绿、蓝三种光组成，为环形 塔状直射高亮频闪光源。焊点（锡膏）处于 斜面：大部分黄色光通过斜面反射出去，而 蓝光则通过斜面反射到摄像头，所以焊点在 电脑里显示为蓝色；元件本体表面粗糙：黄 色光与蓝色光照射在其表面都产生漫反射， 根据调色原理：蓝色与黄色组合成白色，相 当于白光照射元件在电脑中显示为元件本色； 焊盘表面光滑：黄色照射在其表面产生镜面 反射进入摄像头，而大部分蓝色光则反射出， 所以焊盘显示为黄白色。
传感器
帧触发
编码器 行触发信号
1、印刷包装行业
系统设计举例：系统精度为0.2mm，被检物体200mm宽，运动 速度为4m/s
CCD相机选择： 1.分辨率：系统精度为0.2mm，如果是缺陷检测，最少用2个
像素表征缺陷特征，所以每个像素当量为0.2÷2＝0.1mm， 所以相机分辨率最小为200÷0.1＝2000，可以选择分辨率 为2048的相机 2.行频：4000÷0.1＝40K 所以可以选择分辨率为2048，行频为40K的相机
2、半导体行业
Die Bonder
2、半导体行业
算法设计
区域匹配：以图像灰度信息为基础，用归一化相关系数为相似性度量指 标，在实时图像中搜索和参考图像（包含特定特征）相一致特征的位 置。区域匹配对灰度线性变化有很好的适应性，但对灰度非线性变化 适应性较差，并且本质上不支持尺度和角度变化。
2、半导体行业
特点： LED:寿命长,可以有各种颜色,便于做成各种复杂形状,光均
匀稳定,可以闪光； 萤光灯:光场均匀,价格便宜,亮度较LED高； 卤素灯:亮度特别高,通过光纤传输后可做成各种形状。
1.2 镜头
低通滤波器，完成信号传递 接口形式：C-Mount/CS-Mount/F-Mount/Others
镜头类型：标准、远心、广角、zoom(变焦放大）、远摄/近 摄等
2、Inspection(应用范围最广），检测
3、Guide，导引
4、Identification，识别
三、CCD在工业领域的典型应用案例
印刷包装行业 半导体行业 PCB电子产品行业 LCD行业 烟草行业 ITS行业
1、印刷包装行业
人民币印刷检测、食品包装印刷、标签印刷等 检测内容：孔洞、异物、套印不准、偏色等
选择依据：相机接口、物距、拍摄范围、CCD尺寸、畸变的 允许范围、放大率、焦距、变焦范围、光圈等
1.3 CCD相机
光电转换器，完成信号转换
C
C
A/D
D
种类：线/面、隔/逐、黑/彩、数/模、低/高 指标：像元尺寸、分辨率、感应曲线、动态范围、灵敏度、
速度、噪声、填充因子、体积、质量等 工作模式：Free run、Trigger（多种）、长时间曝光等
货、客车运行故障检测
7、其他应用--键盘检测
1.产品传送带 4.彩色工业相机 7.NG品导流片
2.导流槽 5.龙门架 8.NG品储存架
3.白色穹顶光源 6.拨片装置 9.光电传感器
7、其他应用--键盘检测
1.4 采集卡
完成信号的采集与格式转换 分类：模拟(标准和非标准）/数字、单通道/多通道 主要指标：采集频率（速度）、接口、Buffer大小、预处理
功能、支持相机的种类、控制功能、I/O点数 数字采集卡接口分类：RS422/LVDS、CameraLink、
IEEE1394、USB、GIGE
1.5 软件