您好, 歡迎來(lái)到化工儀器網(wǎng)
關(guān)于顯微攝像頭CCD,、CMOS的區(qū)別
CCD（Charge Coupled Device），即“電荷耦合器件”,，以百萬(wàn)像素為單位,。數(shù)碼相機(jī)規(guī)格中的多少百萬(wàn)像素,，指的就是CCD的分辨率。CCD是一種感光半導(dǎo)體芯片,，用于捕捉 圖形,，廣泛運(yùn)用于掃描儀、復(fù)印機(jī)以及無(wú)膠片相機(jī)等設(shè)備,。與膠卷的原理相似,，光線穿過(guò)一個(gè)鏡頭，將圖形信息投射到CCD上,。但與膠卷不同的是,，CCD既沒(méi)有 能力記錄圖形數(shù)據(jù)，也沒(méi)有能力*保存下來(lái),，甚至不具備“曝光”能力,。所有圖形數(shù)據(jù)都會(huì)不停留地送入一個(gè)“模-數(shù)”轉(zhuǎn)換器，一個(gè)信號(hào)處理器以及一個(gè)存儲(chǔ)設(shè) 備（比如內(nèi)存芯片或內(nèi)存卡）,。CCD有各式各樣的尺寸和形狀,，zui大的有2×2平方英寸。
CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）,，即“互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體”,。它是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)一種重要的芯片，保存了系統(tǒng)引導(dǎo)所需的大量資料,。CMOS傳感器便于大規(guī)模 生產(chǎn),，且速度快，成本較低,，是數(shù)碼相機(jī)關(guān)鍵器件的發(fā)展方向之一,。
白 平衡 （White Balance）
在 不同光源下，因色溫不同,，拍攝出來(lái)的相片會(huì)偏色,。如色溫低時(shí)光線中的紅，黃色光含量較多,，所拍的照片色調(diào)會(huì)偏紅,，黃色調(diào)，色文高時(shí)光線中的藍(lán),、綠色較多,， 照片會(huì)偏藍(lán)、綠色調(diào),。此時(shí)便需要利用白平衡功能來(lái)作修正,，其原理是控制光線中紅，綠及藍(lán)三元色的明亮度，使影像中zui大光位達(dá)到純白,，便能令其它色彩準(zhǔn)確,。
插值 （Interpolation）
在 不生成像素的情況下增加圖像像素大小的一種方法，在周圍像素色彩的基礎(chǔ)上用數(shù)學(xué)公式計(jì)算丟失像素的色彩,。有些相機(jī)使用插值,，人為地增加圖像的分辨系。
Bit（位）
這是計(jì)算機(jī)圖像中的術(shù)語(yǔ),，用來(lái)描述生成的圖像所能包含 的顏色數(shù),。“深度是8位”意味著圖像只含有256種顏色。現(xiàn)在的數(shù)碼相機(jī),，每一種顏色的顏色深度都是8位,。由于每一個(gè)像素的顏色都是是由紅色、綠色和藍(lán)色 三種顏色混合而成的,，所以圖像包含的顏色可達(dá)256×256×256共計(jì)1.67億種,，也就是所謂的24位色。
TWAIN
這是數(shù)字照相技術(shù)中非常常見(jiàn)的一個(gè)詞,。TWAIN是指 一種特殊的軟件,，有了它，其他與TWAIN兼容的軟件就可以共享圖像資源了,。比如說(shuō),，PaintShopPro，這是一個(gè)很好的圖像處理方面的共享軟件,， 它就可以和TWAIN設(shè)備協(xié)同工作,。所以你可以在PaintShopPro中直接使用數(shù)碼相機(jī)中的圖像。TWAIN設(shè)備包括掃描儀,，傳真機(jī)，當(dāng)然,，還有數(shù) 碼相機(jī),。
區(qū)分CCD與CMOS
1970年是影像處理行業(yè)具有里程碑意義的一年，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了CCD,。二十年后,，人們利用這一技術(shù) 制造了數(shù)字相機(jī)，將影像處理行業(yè)推進(jìn)到一個(gè)全新領(lǐng)域,。數(shù)字相機(jī)無(wú)需膠卷和沖洗,、可重復(fù)拍攝和即時(shí)調(diào)整；影像可無(wú)限次復(fù)制且不會(huì)降低質(zhì)量,，方便*保存,，并 可用于電子傳送和處理。它的誕生給影像處理業(yè)帶來(lái)了一場(chǎng)革命。
而 后,，有人發(fā)現(xiàn),，將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)里的一種芯片進(jìn)行加工也可以作為數(shù)字相機(jī)中的感光傳感器，即CMOS,，其便于大規(guī)模生產(chǎn)和成本低廉的特性是商家們夢(mèng)寐以求的,。 業(yè)內(nèi)人士分析，它在不久的將來(lái)可能取代CCD,，如今兩者依然共存,。許多人認(rèn)為：
“感光傳感器，尤其是CCD,，是攝像頭zuizui核心的部件,，是數(shù)字相機(jī)的心臟。”
而事實(shí)并非如此：感光傳感器,，尤其是CCD,，在攝像頭 中的功能是將透過(guò)鏡頭的光線捕獲并轉(zhuǎn)換為電子信號(hào)，與其說(shuō)是數(shù)字相機(jī)的心臟,，不如說(shuō)是數(shù)字相機(jī)的眼睛,。在研究級(jí)攝像頭中，CCD或CMOS感光傳感器雖然 是十分重要的元部件,，在很大程度上決定了攝像頭的像素,，但CCD/CMOS芯片在攝像頭的成本中并不占主導(dǎo)位置，尤其是在越的領(lǐng)域這一特性表現(xiàn)越為突 出,。
從技術(shù)的角度比較,，CCD與CMOS 有如下四個(gè)方面的不同：
信息讀取方式
CCD電荷耦合器存儲(chǔ)的電荷信息，需在同步信號(hào)控制 下一位一位地實(shí)施轉(zhuǎn)移后讀取,，電荷信息轉(zhuǎn)移和讀取輸出需要有時(shí)鐘控制電路和三組不同的電源相配合,，整個(gè)電路較為復(fù)雜。CMOS光電傳感器經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后直接 產(chǎn)生電流（或電壓）信號(hào),，信號(hào)讀取十分簡(jiǎn)單,。
速度
CCD 電荷耦合器需在同步時(shí)鐘的控制下，以行為單位一位一位地輸出信息,，速度較慢,；而CMOS光電傳感器采集光信號(hào)的同時(shí)就可以取出電信號(hào)，還能同時(shí)處理各單元 的圖像信息,，速度比CCD電荷耦合器快很多,。
電 源及耗電量
CCD電荷耦合器大多需要三組 電源供電，耗電量較大,；CMOS光電傳感器只需使用一個(gè)電源,，耗電量非常小,，僅為CCD電荷耦合器的1/8到1/10，CMOS光電傳感器在節(jié)能方面具有 很大優(yōu)勢(shì),。
成像質(zhì)量
CCD電荷耦合器制作技術(shù)起步早,，技術(shù)成熟，采用PN 結(jié)或二氧化硅（SiO2）隔離層隔離噪聲,，成像質(zhì)量相對(duì)CMOS光電傳感器有一定優(yōu)勢(shì),。由于CMOS光電傳感器集成度高，各光電傳感元件,、電路之間距離很 近,，相互之間的光、電,、磁干擾較嚴(yán)重,，噪聲對(duì)圖像質(zhì)量影響很大，使CMOS光電傳感器很長(zhǎng)一段時(shí)間無(wú)法進(jìn)入實(shí)用,。近年,，隨著CMOS電路消噪技術(shù)的不斷發(fā) 展，為生產(chǎn)高密度的CMOS圖像傳感器提供了良好的條件,。
此 外,，CCD與CMOS兩種傳感器在“內(nèi)部結(jié)構(gòu)”和“外部結(jié)構(gòu)”上都是不同的：
內(nèi)部結(jié)構(gòu)（傳感器本身的結(jié)構(gòu)）
CCD 的成像點(diǎn)為X－Y縱橫矩陣排列，每個(gè)成像點(diǎn)由一個(gè)光電二極管和其控制的一個(gè)鄰近電荷存儲(chǔ)區(qū)組成,。光電二極管將光線（光量子）轉(zhuǎn)換為電荷（電子）,，聚集的電 子數(shù)量與光線的強(qiáng)度成正比。在讀取這些電荷時(shí),，各行數(shù)據(jù)被移動(dòng)到垂直電荷傳輸方向的緩存器中,。每行的電荷信息被連續(xù)讀出，再通過(guò)電荷/電壓轉(zhuǎn)換器和放大器 傳感,。這種構(gòu)造產(chǎn)生的圖像具有低噪音,、高性能的特點(diǎn)。但是生產(chǎn)CCD需采用時(shí)鐘信號(hào),、偏壓技術(shù),，因此整個(gè)構(gòu)造復(fù)雜，增大了耗電量,，也增加了成本。
CMOS傳感器周圍的電子器件,，如數(shù)字邏輯電路,、時(shí) 鐘驅(qū)動(dòng)器以及模/數(shù)轉(zhuǎn)換器等，可在同一加工程序中得以集成,。CMOS傳感器的構(gòu)造如同一個(gè)存儲(chǔ)器,，每個(gè)成像點(diǎn)包含一個(gè)光電二極管、一個(gè)電荷/電壓轉(zhuǎn)換單 元、一個(gè)重新設(shè)置和選擇晶體管,，以及一個(gè)放大器,，覆蓋在整個(gè)傳感器上的是金屬互連器（計(jì)時(shí)應(yīng)用和讀取信號(hào)）以及縱向排列的輸出信號(hào)互連器，它可以通過(guò)簡(jiǎn)單 的X－Y尋址技術(shù)讀取信號(hào),。
外部結(jié)構(gòu)（傳 感器在產(chǎn)品上的應(yīng)用結(jié)構(gòu)）
CCD電荷耦合器需在同步時(shí)鐘的控制下,，以行為單位一位一位地輸出信息，速度較慢,；而CMOS光電傳感器采集光信號(hào)的同 時(shí)就可以取出電信號(hào),，還能同時(shí)處理各單元的圖像信息，速度比CCD電荷耦合器快很多,。
CMOS光電傳感器的加工采用半導(dǎo)體廠家生產(chǎn)集成電路的流程,，可以將數(shù)字相機(jī)的所有部件集成到一塊芯片 上，如光敏元件,、圖像信號(hào)放大器,、信號(hào)讀取電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換器,、圖像信號(hào)處理器及控制器等,，都可集成到一塊芯片上，還具有附加DRAM的優(yōu)點(diǎn),。只需要一個(gè)芯 片就可以實(shí)現(xiàn)很多功能,，因此采用CMOS芯片的光電圖像轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的整體成本很低。
什么是數(shù)字?jǐn)z像頭
所有CCD芯片都屬于模擬元件,，但當(dāng)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)入計(jì)算機(jī)時(shí)卻是數(shù)字信號(hào),。如果數(shù)據(jù)是在攝像 頭、采集卡兩部分完成數(shù)字化的,，這個(gè)攝像頭就是模擬攝像頭,。而數(shù)字?jǐn)z像頭則是在攝像頭內(nèi)部完成數(shù)字化的，這樣可以減少圖像的噪音,。與模擬攝像頭相比,，數(shù)字 攝像頭顯著提高了攝像頭的信噪比、增加了攝像頭的動(dòng)態(tài)范圍,、zui大化圖像灰度范圍,。科學(xué)研究級(jí)的絕大多數(shù)的CCD/CMOS芯片都是由Kodak,、 Sony,、SIT制造的。
CCD與 COMS的分類
CCD與CMOS按成像過(guò) 程可以分為2大類：動(dòng)態(tài)（fast scan）和靜態(tài)（slow scan）,；按應(yīng)用場(chǎng)合不同可以分為專業(yè)級(jí)和民用級(jí),。常見(jiàn)的視頻聊天攝像頭（如羅技）與各種數(shù)字相機(jī)使用的分別是民用級(jí)動(dòng)態(tài)和靜態(tài)CCD/CMOS,。
CCD的成像原理
CCD成像的過(guò)程是這樣的：CCD表面被覆的硅半導(dǎo)體光敏元件捕獲光子后產(chǎn)生光生電子，這些電子先被積蓄在CCD下方 的絕緣層中,，然后由控制電路以串行的方式導(dǎo)出到模數(shù)電路中,，再經(jīng)過(guò)DSP等成像電路形成圖像。fast scan 和slow scanzui大的區(qū)別就在于光生電子導(dǎo)出的速度和電路系統(tǒng)上不同,。fast scan 導(dǎo)出電子的頻率非?？欤员隳苓_(dá)到視頻級(jí)的刷新率,，但這將導(dǎo)致電子丟失,、噪聲增多、光生電子清空不*,；而slow scan 則相反,，它的電路設(shè)計(jì)重在對(duì)光生電子積蓄的保護(hù)上，導(dǎo)出的頻率不高,，但保證傳出過(guò)程中電子丟失和損耗降到極小,，它的模數(shù)轉(zhuǎn)換器動(dòng)態(tài)范圍和靈敏度*，保證 了信號(hào)轉(zhuǎn)換過(guò)程不失真,，同時(shí)為了減低熱效應(yīng)產(chǎn)生的噪聲,，一般使用Cooling 系統(tǒng)降溫。
看了上面的解釋我們可以知道專業(yè)級(jí)的科研用攝像頭為什么那么貴了,，從CCD感光層的材料和面積開(kāi)始,、到光生電子的 積蓄、到電子的導(dǎo)出電路,、傳輸電路,、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、圖像顯示電路,、Cooling電路,，每一步專業(yè)級(jí)科研攝像頭的工藝都和民用級(jí)的不同，成本都在幾十倍到 幾百倍以上,。目的只有一個(gè),，專業(yè)級(jí)攝像頭能盡可能完整的采集到所有的光信號(hào)。一般來(lái)說(shuō),，民用級(jí)攝像頭或數(shù)碼相機(jī)只能反映50%以下的光信號(hào),。
評(píng)價(jià)CCD的基本指標(biāo)
主要包括像素值、信噪比,、冷卻溫度等
信噪比（SNR）
信噪比真實(shí)體現(xiàn)攝像頭的檢測(cè)能力,。所有的CCD攝像頭 的廠家為提高攝像頭的性能，都盡力使信號(hào)（可達(dá)到滿井電子的數(shù)目）zui大同時(shí)盡可能減少噪音,。
SNR=滿井電子/噪音電子=動(dòng)態(tài)范圍=zui大灰階=2bit數(shù)
在相同滿井電子的CCD,，降低CCD噪音，就能提高 CCD的監(jiān)測(cè)能力,，熱或者暗電流對(duì)于CCD都是噪音,，噪音在Cool CCD基本都可以被深度致冷的Peltier消除。在曝光超過(guò)5-10秒,，CCD芯片就會(huì)發(fā)熱,，沒(méi)有致冷設(shè)備的芯片，“熱”或者白的像素點(diǎn)就會(huì)遮蓋圖像,， 圖像到處可見(jiàn)雪花,。-20°C的攝像頭可以拍攝高達(dá)5分鐘的圖像，-40°C的攝像頭拍攝時(shí)間可以超過(guò)1小時(shí),。
CCD結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),、數(shù)字化的方法等都會(huì)影響噪音的 產(chǎn)生。通過(guò)改善結(jié)構(gòu),、優(yōu)化方法,，同樣能減少噪音的產(chǎn)生。
像素面積
這個(gè)指標(biāo)是在芯片的一個(gè)重要指標(biāo),。像素面積越大,、對(duì)光越靈敏。因?yàn)橄袼攸c(diǎn)面積有更多電子,，能產(chǎn)生更多信號(hào),。大 像素點(diǎn)增加靈敏度、小的像素點(diǎn)增加分辨率,。要提高影像質(zhì)量就必須增加CCD的像素,，因此在CCD尺寸一定的情況下，增加像素就意味著要縮小了像素中的光電 二極管,。我們知道單位像素的面積越小,，其感光性能越低，信噪比越低,，動(dòng)態(tài)范圍越窄,，因此這種方法不能無(wú)限制地增大分辨率，所以,，如果不增加CCD面積而一 味地提高分辨率,，只會(huì)引起圖像質(zhì)量的惡化。但如果在增加CCD像素的同時(shí)想維持現(xiàn)有的圖像質(zhì)量,，就必須在至少維持單位像素面積不減小的基礎(chǔ)上增大CCD的 總面積,。而目前更大尺寸CCD加工制造比較困難，成品率也比較低,，因此成本也一直降不下來(lái),，這一矛盾對(duì)于CCD而言是難以克服的,。
攝像頭與數(shù)碼相機(jī)
如前文所述，專業(yè)攝像頭與數(shù)碼相機(jī)在工藝,、成 本,、技術(shù)含量、成像質(zhì)量上差異明顯,，不是一個(gè)級(jí)別的產(chǎn)品,。具體到實(shí)際應(yīng)用中，數(shù)碼相機(jī)存在以下主要問(wèn)題：
數(shù)碼相機(jī)有自動(dòng)曝光功能,，在不同光源的情況下拍出來(lái)的圖像都不一樣,，很難定性，如 要測(cè)量圖像的面積,、光密度等,，非要專業(yè)攝像頭莫屬。
數(shù) 碼相機(jī)無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)預(yù)覽功能,。
在特殊照明 條件下,，如熒光，暗場(chǎng)條件下難以保證成像質(zhì)量,。
在 凝膠成像等儀器上如果用數(shù)碼相機(jī)的話會(huì)導(dǎo)致電子丟失,、損耗等，使得不能*捕捉到信號(hào),，對(duì)結(jié)果的分析不是很準(zhǔn)確,！