芯片作为工业相机的核心部件,根据芯片可以分为CCD工业相机和CMOS工业相机。但是无论是CCD还是CMOS芯片,他们都是模拟设备,主要作用就是将光子转换为电信号。当相机拍摄图像时,光线通过镜头并落在图像芯片上。图像芯片由图像元素(也称为像素)组成,这些像素记录了落在图像上的光量。之后,芯片会将接收到的光量转换成相应数量的电子。光越强,产生的电子越多。电子被转为电压,然后通过A/D转换器转换成数字信号。数字构成的信号由相机内部的电子电路处理。目前相机中的芯片主要由CCD和CMOS芯片两种技术。关于这两种技术的差异将在以下内容中进行讲解。
CCD相机和CMOS相机芯片技术是在20世纪60年代末和70年代初发明的。当时,CMOS相机的性能受到可用的光刻技术的限制,使得CCD相机在未来25年内占据主导地位。
十年前关于CMOS相机技术作为CCD相机技术竞争对手的最初论点包括:
l CMOS相机的图像质量将达到能与CCD相机媲美的水平
l CMOS相机的功耗会更低
l 在芯片模具上配套功能集成,创建片上相机或片上系统
l 由于集成和功耗的降低,成像系统尺寸缩小
其它支持CMOS的传统论点包括单一电源操作等。随着近年的芯片技术的发展,CMOS相机和CCD相机技术也发生了很大的变化。有些预测已被证明为是真的。另一些则随着技术格局的发展而改变。
CCD技术
在CCD芯片中,落在芯片上的光(电荷)通过一个输出节点(或仅几个输出节点)从芯片传输。电荷转化为电压级别,缓冲并作为模拟信号发送。然后使用芯片外的A/D转换器放大并转换为数字信号。CCD技术是专门为相机开发的,CCD的芯片的使用已经超过了30年。传统意义上而言,CCD芯片相比于CMOS芯片会有一些优势。如光敏度更好,噪声更小。然而,近几年来这些差异已经消失。CCD芯片的缺点是,它们是模拟组件,在传感器需要更多的电子电路,它们生产成本高,耗电量是CMOS芯片的100倍。功耗的增加会导致相机的发热问题,这不仅对图像质量会产生负面影响。而且也会增加产品的成本和环境影响。
CMOS技术
早期,普通CMOS芯片用于成像目的,但是光敏度低,图像质量差。现代CMOS芯片采用了更专业化的技术,其芯片的质量和光敏度得到了质的提升。与CCD芯片不同,CMOS芯片集成了放大器和A/D转换器,这大大降低了相机的成本,因为它包含了生成图像所需的所有元素。每个CMOS像素都包含转换电子元件。与CCD芯片相比,CMOS芯片具有更好的集成可能性和更多的功能。但是,在芯片内添加电路可能会导致更结构化的噪声风险。CMOS传感器还具有更快的读出率、更低的功耗、更高的噪声免疫力和更小的系统尺寸。最后,最近的技术进步也消除了CCD和CMOS芯片在特定价格点的光敏度差异。
CCD和CMOS芯片分别有不同的优势,但是技术发展迅速,形式也在不断变化。如今,Sony已经在2015年宣布停产CCD芯片技术的研发,而转战CMOS芯片技术。
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