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          從CMOS和CCD芯片的區別看CMOS相機替代CCD的趨勢


          本文主要討論機器視覺成像普通工業相機(可見光波段)中CCD芯片與CMOS芯片的優劣,關于CMOS和CCD

          在近紅外、近紫外成像以及其它特殊成像領域包括機器視覺成像的全面比較,請見FA知識庫的另一篇文章

          2015年初,世界上最大的CCD感光芯片制造商Sony(索尼)宣布停產所有基于此技術的芯片。目前,很多用戶都在詢問

          最新的CMOS芯片相對于舊芯片的優勢;特別是考慮到有些用戶一直都在使用基于CCD的相機,他們更需要搞清楚這一問題。
          本文中,德國相機BASLER將簡要介紹感光芯片技術,對新的CMOS芯片與現有的CCD芯片進行比較,并就何時應該選擇CMOS

          芯片的新相機提供建議。


          1. 兩種芯片技術的區別是什么?

          目前市場上既有CCD(charge coupled device,電荷耦合器件)成像芯片,也有CMOS(complementary metal oxide 

          semiconductor,互補金屬氧化物半導體)成像芯片。它們的任務是將光信號(光子)轉換成電信號(電子)。然而,

          兩種芯片類型在傳輸這一信息時采用了不同的方法和手段,其各自的設計也是完全不同的。

          1.1 CCD感光芯片設計

          在CCD芯片中,光敏像素的電荷發生移位并被轉化為信號。像素電荷產生于對半導體的曝光,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(類似于“斗鏈”),被傳輸到中央模數轉換器。 由芯片中的電極所產生的電場推動

          電荷的傳輸:

          1.2 CMOS感光芯片設計

          在CMOS芯片中,并行于每個像素放置了存儲電荷的電容。當每個像素曝光時,這個電容器被光電電流充電。電容器中產

          生的電壓與亮度和曝光時間成正比。不同于CCD,因芯片曝光而由電容捕獲的電子不會移位到單個輸出放大器,而是會通

          過每個像素自己的關聯電子電路直接轉化為可測量的電壓。然后,這個電壓可用于模擬信號處理器。 通過使用每像素額外

          的電子電路,每個像素都可以被定位,而無需CCD中的電荷移位。由此,對圖像信息的讀取速度遠遠高于CCD芯片,且因

          光暈和拖尾等過度曝光而產生的非自然現象的發生頻率要低得多,也可能根本不會發生。其缺點是為每個像素電子電路提

          供所需的額外空間不會作為光敏區域。由此,芯片表面上的光敏區域部分(定義為填充因子)小于CCD芯片。從理論上講,

          由于這個原因,可以收集的圖像信息光子數會有所減少。不過,我們有方法削減這一劣勢。


          CCD芯片(左)和CMOS芯片(右)的設計。在CCD芯片中,電荷是逐像素進行進一步的移位。而CMOS芯片與此相反:

          它每個像素的電荷是直接轉換為電壓和讀數,這使得CMOS芯片的速度明顯更快。

          2. 當需要高分辨率時:請選擇多抽頭CCD芯片
          CCD芯片中的電荷傳輸需要大量的時間。對于高分辨率芯片,這是一個明顯的劣勢:因為像素數眾多,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。解決這個問題的技術手段是多抽頭芯片。 
          在多抽頭芯片中,芯片表面被劃分為多個抽頭區域。每個抽頭區域都有自己的電子電路,名叫抽頭,可為每個抽頭區域創

          建信號和單個輸出。出自抽頭區域的圖像信息被抽頭在較短距離內同步進行移位、放大和選擇,因此速度更快。這些區隨

          后必須重新組成一幅圖像。多抽頭過程提供了高分辨率和速度,但也有缺點:非常復雜。必須逐一對各個抽頭電子電路進

          行仔細調整。因為抽頭區域的邊界很明顯,所以即使是最小的偏差都會導致圖像中產生可見的差異:最重要的是人眼可見。

          多抽頭芯片的能耗通常較大,從而導致發熱量增加。這往往會增加芯片的噪聲,必要的時候必須適當采取降溫措施。 

          得益于其高速度和內部設計,CMOS芯片也能提供更高的分辨率,

          而不用多抽頭體系結構。

          3. 為什么在普通工業相機的應用中最新的CMOS芯片優于CCD芯片

          新的CMOS芯片  新的CMOS芯片
          快門 全局快門 全局快門或滾動快門
          同一分辨率的相機/芯片的成本 非常高 從中等(全局快門)到非常低(滾動快門芯片的成本
          最大讀出速度 通常不高于20 fps 非常高(例如400萬像素的全局快門芯片可達180 fps)
          電耗
          發熱:如果不降溫噪聲會較高 非常高
          成像質量:動態范圍  低到非常高
          成像質量:靈敏度 低到非常高
          成像質量:低噪點 幾乎沒有 幾乎沒有
          抽頭配置的成像干涉 可能需要,必須費力校準(只適用于多抽頭CCD芯片)
          成像非自然“光暈”
          成像非自然“拖尾” 

          上表的注釋是德國basler工業相機為例說明,圖像的質量很大程度上取決于確切的傳感器類型和相機制造商安裝

          傳感器的情況。

          高分辨率全局快門CMOS芯片是在最近才推出的。以前的許多芯片只使用滾動快門。今天許多CMOS芯片的成像質量

          也已經優于CCD芯片的成像質量。CCD芯片市場的世界領導者索尼之所以會停產CCD芯片,并在未來完全集中于CMOS,

          這也是原因之一。


          4. 何時應考慮更換相機技術?
          如果對以下一個或多個問題的答案是“是”,那么就應該更換為CMOS技術。這一原則既適用于現有系統,也適用于待開發

          的新系統:

          • 希望在系統中實現更高的幀速率,從而提高性能?
          • 希望提高性能,在不利的光線條件下也能看到更多細節?
          • 遇到了相機發熱的問題?必須額外采取冷卻措施?
          • 遇到了可見線、光暈或拖尾等非自然成像問題?
          • 以降低系統成本為目標? 
          • 現有的感光芯片技術已停產或面臨停產?

          來自智能交通系統(ITS)的一個例子:左邊的圖像由4抽頭CCD芯片(ON Semiconductor(原柯達)的KAI4050芯片)拍

          攝。右邊的圖像 由來自Sony的IMX174 CMOS芯片拍攝。右邊圖像的動態范圍顯然更高,因為它可以在同一張圖片中更好

          地識別司機和牌照。此外,在 設置幾乎相同的情況下,該芯片顯然更靈敏,相應地能在背景中提供更多細節。




          要全面比較成像質量,應該看在其他設置相同的情況下芯片噪聲增 加的趨勢。信噪比(SNR)最好由均勻淺灰色表面(下圖)

          的圖像灰度目標尺寸級頻譜(上圖)來決定?;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頻譜的

          圖像:左邊使用的是Sony ICX625的 CCD全局快門芯片,右邊的是e2V的CMOS全局快門芯片EV76C560。像素大小的影響

          已經消除。 所需的分辨率取決于圖像中要識別的細節。 

          5. 就集成而言,選擇基于CMOS的最新相機時應該考慮哪些方面?

          。確定正確的相機分辨率: 所需的分辨率取決于需要在圖像中顯示的細節。
          。定義所需的相機接口: 接口的選擇取決于所需線材長度、帶寬、必要的幀速率和實時功能以及PC硬件可用性。 
          。選擇鏡頭和光源: 更改芯片格式也涉及更改鏡頭。如果新芯片的靈敏度與之前不同,則只需調整光源即可。
          。軟件和相機控制集成工作: 遵守GenICam等共同標準或像USB3 Vision或GigE Vision等接口標準的相機,集成較為簡單。

          6. 總結

          現代的CMOS芯片均普遍優于多抽頭CCD或標準CCD芯片(在普通工業相機特別是可見光領域)。這不僅僅在理想情況下應

          該更高(以實現系統中的性能改進)于價格方面,而且還因為明確的技術優勢,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熱。使用新的基于CMOS相機EMVA數據  的集成調換或替代CCD芯片可以非常簡單,特別是如果用戶

          選擇的應該相同或更好硬件和軟件符合標準。對于您的應用程序,這意味著很多優勢,比如檢查零件的傳輸量可以顯著增

          加,而相機和檢驗系統的成本大大靈敏度/波長  減少,同時不會降低圖片質量。


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