CCD與CMOS的區別

CCD（電荷耦合器件）和CMOS（互補金氧半導體）影像感測器是兩種常用於數碼相機、攝像機和其他成像裝置的影像感測器。CCD和CMOS都用於捕獲光線並將其轉換為電訊號，但它們在底層技術和效能方面有所不同。

閱讀本文，瞭解更多關於CCD和CMOS及其區別的資訊。

什麼是CCD？

CCD代表電荷耦合器件。它是一種影像感測器技術，用於將光線轉換為電訊號以進行數字影像捕獲。CCD由一系列稱為畫素的光敏電容組成，這些電容在影像捕獲過程中儲存和傳輸電荷。

CCD技術的特點

以下是CCD技術的一些重要特點：

• 結構：CCD感測器由按行和列排列的畫素陣列組成。每個畫素都是一個光敏元件，能夠檢測光線並將其轉換為電荷。

• 光線檢測：當光線照射到畫素上時，光電效應會產生光電子。產生的光電子數量與入射光強度成正比。

• 電荷儲存：在CCD感測器中，每個畫素都有一個勢阱（電容），可以容納和儲存生成的電荷。在曝光期間，光電子被收集並累積在勢阱中。

• 電荷轉移：為了進一步處理，必須將每個畫素中累積的電荷從一個畫素傳輸到下一個畫素。一系列移位暫存器移動感測器內行或列中的電荷以完成此傳輸。

• 序列讀出：電荷在傳輸到感測器內所需位置後被序列讀出。每個畫素都包含一個電荷電壓放大器，它將電荷轉換為電壓訊號。

• 模數轉換：當電荷轉換為電壓時，模數轉換器 (ADC) 將模擬電壓訊號轉換為數字值。每個畫素的強度或亮度由一個數字值表示。

• 訊號處理：CCD感測器的數字影像資料可以進一步處理，例如降噪、色彩插值和影像增強。這些操作通常由相機的影像處理流水線處理。

• 優點：CCD感測器通常提供許多優點，包括出色的影像質量、低噪聲水平、寬動態範圍和卓越的色彩準確性。它們非常適合專業攝影和科學成像等高質量影像應用。

• 缺點：CCD感測器也有一些缺點。它們比CMOS感測器消耗更多功率，導致產生更多熱量。CCD的讀出速度也較慢，限制了其在高速應用中的使用。此外，CCD感測器的製造成本也高於CMOS感測器。

什麼是CMOS？

CMOS是互補金氧半導體的縮寫。它是一種影像感測器技術，通常用於數碼相機、手機和其他成像裝置。CMOS感測器將光線轉換為電訊號以進行數字影像捕獲。與CCD感測器不同，CMOS感測器在畫素級別集成了放大器和轉換器，這導致了不同的工作機制。

CMOS技術的特點

以下是CMOS技術的一些重要特點：

• 結構：與CCD感測器一樣，CMOS感測器也由按行和列排列的畫素陣列組成。每個畫素都集成了一個光敏光電二極體、一個電荷電壓放大器和一個模數轉換器 (ADC)。

• 光線檢測：與CCD類似，當光線照射到畫素的光電二極體上時，它透過光電效應產生光電子。產生的光電子數量與入射光強度成正比。

• 電荷電壓放大：CMOS感測器中的每個畫素都有自己的電荷電壓放大器。在光電二極體中產生的電荷在畫素內被放大，產生與電荷量成正比的電壓訊號。

• 模數轉換：在電荷被放大成電壓訊號後，每個畫素內的模數轉換器 (ADC) 將模擬電壓轉換為數字值。每個畫素的數字值代表其強度或亮度。

• 畫素讀出：CMOS感測器使用並行讀出架構，其中每個畫素的數字值同時從感測器讀出。這種並行讀取比CCD實現了更高的幀率，使CMOS感測器適合高速影像捕獲應用。

• 訊號處理：與CCD感測器資料一樣，CMOS感測器資料也可以進行額外的訊號處理，例如降噪、色彩插值和影像增強。通常，此處理由相機的影像處理流水線執行。

• 缺點：雖然CMOS感測器取得了巨大的進步，但它們的影像質量始終低於CCD感測器。然而，隨著技術的進步，影像質量差距已大大縮小。但在低光照條件下，CMOS感測器仍然可能比CCD感測器具有更高的噪聲水平和更低的動態範圍。

CCD和CMOS的區別

下表突出顯示了CCD和CMOS的主要區別：

結論

總而言之，CCD和CMOS影像感測器是數字成像裝置中使用的兩種影像感測器。CCD感測器使用電容儲存和傳輸電荷，而CMOS感測器使用具有內建放大器和轉換器的單個畫素。

需要注意的是，技術發展已經最大限度地減少了CCD和CMOS感測器之間的效能差距。兩種感測器之間的選擇取決於具體的應用需求以及在影像質量、功耗和成本方面的權衡。

Md. Sajid

更新於：2023年7月13日

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