Der Unterschied zwischen Sensor CCD und CMOS

Der Sensor ist die Kernkomponente der Kamera. Er verfügt über Funktionen wie photoelektrische Umwandlung, Informationsspeicherung, Verzögerung und sequentielle Übertragung elektrischer Signale. Er zeichnet sich durch hohe Integration und geringen Stromverbrauch aus, weshalb er sich rasant weiterentwickelt hat. Er ist ein unverzichtbares Schlüsselgerät für die Bilderfassung und digitale Verarbeitung. Derzeit gibt es auf dem Markt zwei Arten von lichtempfindlichen Chips, die üblicherweise in Kameras verwendet werden: CCD und CMOS.

1. CCD (Charge Coupled Device)

   Derzeit gibt es drei Strukturen von gängigen CCD-Kameras: Vollbildübertragung, Bildübertragung und Zeilenübertragung.

   1. Interline-Übertragung

      Von den drei Strukturen ist die Zeilenübertragung die am häufigsten verwendete, und die meisten Mittel- und Low-End-Produkte verwenden diese Methode.

   2. Vollbildübertragung (Full frame)

      Die Vollbildübertragungsstruktur ist die einfachste, der lichtempfindliche Bereich und der Speicherbereich sind zusammen, und ein Füllfaktor von 100 % kann erzielt werden. Der Nachteil ist, dass, um Bildlichtlecks zu vermeiden, externes Licht während des Auslesens nicht eindringen darf. Dies kann durch die Verwendung eines mechanischen Verschlusses, eines Blitzes oder durch eine Belichtungszeit, die viel länger ist als die Auslesezeit, erreicht werden, um Lichtlecks zu minimieren.

   3. Bildübertragung

      Die Bildübertragungsstruktur besteht darin, dass der lichtempfindliche Bereich und der Speicherbereich vollständig getrennt und gleich groß sind. Die exponierte Signalladung wird sehr schnell (normalerweise weniger als 1 % der Bildperiode) in den Speicherbereich übertragen und dann zeilenweise ausgegeben. Es ist offensichtlich, dass der Bildübertragungssensor einen Füllfaktor von 100 % erreicht und während des Auslesevorgangs das nächste Bild belichtet wird. Der Nachteil ist, dass die Chipgröße groß und die Kosten hoch sind.

2. CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) Sensor

   Die Prinzipien des lichtempfindlichen Teils von CMOS-Sensoren und CCD-Sensoren sind die gleichen. Der Unterschied besteht darin, dass in jeder Pixeleinheit neben dem lichtempfindlichen Teil auch ein Verstärker und eine Ausleseschaltung vorhanden sind. Der gesamte CMOS-Sensor integriert auch eine Adressierschaltung, einen Verstärker und einen A/D-Wandler.

1. Der erste Punkt ist der Unterschied bei der Full-Well-Kapazität: Da jedes Pixel des CMOS-Sensors eine lichtempfindliche Diode, einen Verstärker und eine Ausleseschaltung enthält und der gesamte Sensor auch eine Adressierschaltung und einen A/D-Wandler enthält, ist die lichtempfindliche Fläche jedes Pixels viel kleiner als die Oberfläche des Pixels selbst. Daher ist bei gleicher Pixelgröße die Full-Well-Kapazität des CMOS-Sensors geringer als die des CCD-Sensors.
2. Der zweite Punkt ist der Kostenunterschied: Da CMOS-Sensoren den CMOS-Prozess verwenden, der in allgemeinen Halbleiterschaltungen am häufigsten verwendet wird, können Peripherieschaltungen (wie AGC, CDS, Timing oder DSP usw.) einfach in den Sensorchip integriert werden, wodurch die Kosten für Peripheriechips gespart werden.
3. Der dritte Punkt ist, dass der CMOS-Sensor zufällig adressiert werden kann, was das Auslesen nur des interessierenden Teils der Zeile sehr bequem macht und die Bildrate erhöht.
4. Der vierte Punkt ist der Rauschunterschied: Da jede Fotodiode des CMOS-Sensors mit einem Verstärker ausgestattet ist und der Verstärker eine analoge Schaltung ist, ist es schwierig, die von jedem Verstärker erzielten Ergebnisse konsistent zu gestalten. Daher ist im Vergleich zu einem CCD-Sensor mit nur einem Verstärker am Ausgang des horizontalen Registers das Rauschen des CMOS-Sensors deutlich höher und beeinträchtigt die Bildqualität.
5. Der fünfte Punkt ist der Unterschied beim Stromverbrauch: Der Stromverbrauch von CMOS-Sensoren ist geringer als der von CCD-Sensoren.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der Vorteil von CCD darin besteht, dass die Bildqualität besser ist als die von CMOS, aber die Nachteile sind ebenfalls offensichtlich. Sein Prozess ist zu kompliziert, und es gibt nur sehr wenige Hersteller, die seine Technologie beherrschen können, so dass der Preis zwangsläufig nicht billig ist, insbesondere für einige große CCD-Komponenten ist der Preis noch unerschwinglicher. Daher verwenden in dem aktuellen Kameramarkt High-End-Kameras im Allgemeinen CCD-Bildsensoren, um Identität und Status zu demonstrieren. Der größte Vorteil des CMOS-Bildsensors ist, dass er Strom spart. Mit der gleichen Batterie und der gleichen Konfiguration kann CMOS 1-2 Stunden länger verwendet werden als CCD, da es nur dann Strom verbraucht, wenn die Schaltung angeschlossen ist, während CCD ständig Strom verbraucht. Es ist der sogenannte "elektrische Tiger". Basierend darauf können wir unsere Stärken maximieren und Schwächen vermeiden und vernünftigerweise CCD- oder CMOS-Kameras für verschiedene Anwendungen auswählen.