用现代CMOS相机替代CCD相机

很多用户都在询问最新的CMOS芯片相对于旧芯片的优势；特别是考虑到有些用户一直都在使用CCD相机，他们更需要搞清楚这一问题。...



文/René von Fintel，Basler产品管理部门负责人

很多用户都在询问最新的CMOS芯片相对于旧芯片的优势；特别是考虑到有些用户一直都在使用CCD相机，他们更需要搞清楚这一问题。我们想在本白皮书中更深入地讨论这个问题：我们将简要介绍感光芯片技术，对新的CMOS芯片与现有的CCD芯片进行比较，并就何时应该选择CMOS芯片的新相机提供建议，且说明了集成后应该能观察到的效果。

CCD芯片和CMOS芯片技术的区别

目前市场上既有CCD（charge coupled device，电荷耦合器件）成像芯片，也有CMOS（complementary metal oxide semiconductor，互补金属氧化物半导体）成像芯片。它们的任务是将光信号（光子）转换成电信号（电子）。这两种芯片在传输这一信息时采用了不同的方法和手段，各自的设计也完全不同。

（1）CCD感光芯片的设计

在CCD芯片中，光敏像素的电荷发生移位并被转化为信号。像素电荷产生于对半导体的曝光，在许多非常小的移位操作（垂直和水平移位寄存器）的支持下（类似于“斗链”），被传输到中央模数转换器。芯片中的电极所产生的电场推动电荷传输。

（2）CMOS感光芯片的设计

在CMOS芯片中，并行于每个像素放置了存储电荷的电容。当每个像素曝光时，这个电容器被光电电流充电。电容器中产生的电压与亮度和曝光时间成正比。不同于CCD，因芯片曝光而由电容捕获的电子不会移位到单个输出放大器，而是会通过每个像素自己的关联电子电路直接转化为可测量的电压。然后，这个电压可用于模拟信号处理器。

通过使用每个像素额外的电子电路，每个像素都可以被定位，而无需CCD中的电荷移位。由此，对图像信息的读取速度远远高于CCD芯片，且因光晕和拖尾等过度曝光而产生的非自然现象的发生频率要低得多，也可能根本不会发生。其缺点是为每个像素电子电路提供所需的额外空间不会作为光敏区域。由此，芯片表面上的光敏区（定义为填充因子）小于CCD芯片。从理论上讲，由于这个原因，可以收集的图像信息光子数会有所减少。不过，我们有方法削减这一劣势。



图1：CCD芯片和CMOS芯片的设计。在CCD芯片中，电荷是逐像素进行进一步的移位。而CMOS芯片与此相反：每个像素的电荷是直接转换为电压和读数，这使得CMOS芯片的速度明显更快。

需要高分辨率时：请选择多抽头CCD芯片

CCD芯片中的电荷传输需要大量时间。对于高分辨率芯片，这是一个明显的劣势：因为像素数众多，电荷必须由许多移位操作送入中央放大器。这限制了最大帧率。解决这个问题的技术手段是多抽头芯片。

在多抽头芯片中，芯片表面被划分为多个抽头区域。每个抽头区域都有自己的电子电路，可为每个抽头区域创建信号和单个输出。来自抽头区域的图像信息被抽头在较短距离内同步进行移位、放大和选择，因此速度更快。这些区域随后必须重新组成一幅图像。

多抽头过程提供了高分辨率和速度，但缺点是非常复杂。必须逐一对各个抽头的电子电路进行仔细调整。因为抽头区域的边界很明显，所以即使是最小的偏差都会导致图像中产生可见的差异：最重要的是人眼可见。多抽头芯片的能耗通常较大，从而导致发热量增加。这往往会增加芯片的噪声，必要的时候必须采取降温措施。



图2：4抽头CCD芯片。

为什么最新的CMOS芯片优于CCD芯片

得益于其高速度和内部设计，CMOS芯片也能提供更高的分辨率，而不是必须使用多抽头体系结构。

表1：CCD芯片和CMOS芯片的性能比较。



高分辨率全局快门CMOS芯片是在最近才推出的。以前的许多芯片只使用滚动快门。今天许多CMOS芯片的成像质量也已经优于CCD芯片，这也是CCD芯片市场的世界领导者Sony宣布停产CCD芯片、并在未来完全集中于CMOS芯片的原因之一。



图3：在智能交通应用系统中，CCD芯片和CMOS芯片拍摄的图像对比。

来自智能交通系统（ITS）的一个例子：左边的图像由ON Semiconductor 的4抽头CCD芯片

KAI4050拍摄；右边的图像由Sony的CMOS芯片IMX174拍摄。右边图像的动态范围显然更

高，因为它可以在同一张图片中更好地识别司机和牌照。此外，在设置几乎相同的情况下，IMX174芯片显然更灵敏，相应地能在背景中提供更多细节。



图4：全局快门CCD芯片和全局快门CMOS芯片的信噪比性能比较。

要全面比较成像质量，应该考量在其他设置相同的情况下，芯片噪声增加的趋势。信噪比（SNR）最好由均匀浅灰色表面（图4下）的图像灰度级频谱（图4上）来决定。灰色值频 谱的宽度越低越好。图4中显示了浅灰色表面及其灰度级频谱的图像：左边使用的是Sony

全局快门CCD芯片ICX625，右边的是e2V的全局快门CMOS芯片EV76C560。像素大小的影响已经消除。

何时应考虑更换相机技术？

如果对以下一个或多个问题的答案是“是”，那么就是该选择CMOS技术的时候了。这一原则既适用于现有系统，也适用于待开发的新系统：

l 希望在系统中实现更高的帧速率，从而提高性能？

l 希望提高性能，在不利的光线条件下也能看到更多细节？

l 遇到了相机发热问题？必须额外采取冷却措施？

l 遇到了可见线、光晕或拖尾等非自然成像问题？

l 以降低系统成本为目标？

l 现有的感光芯片技术已停产或面临停产？

就集成而言，选择基于CMOS的最新相机时应该考虑哪些因素？

如果决定更换到CMOS技术，为了实现快速和有效的集成，应牢记以下要点：

（1）根据所需的分辨率、芯片和像素大小确定正确的相机

实际上，分辨率是指图像内的两行或两点仍能被视为两个分别的个体的两行或两点之间的最小距离。那么，当您读取相机的数据表时，上面所说的“2048×1088”具体是指什么呢？此信息指的是每行形成图像的点（像素）的数量，在此例中指图像的每个水平行拥有2048个像素，每个垂直行则拥有1088个像素。两者相乘得出分辨率为2,228,224个像素，即220万像素。

可使用一种简单的方程式来决定应用需要的是哪种分辨率：

分辨率=目标尺寸/所需检测的细节尺寸

所需要的分辨率取决于图像中要识别的细节。

芯片和像素大小。芯片与单个像素的表面积越大，越能够提供更多的空间以捕捉光线。光是芯片用于生成和处理图像信息的信号。可用表面积越大，信噪比（SNR）越好，特别是3.5 µm这样的大像素。信噪比越好，图像质量越高。理想的信噪比是在42dB范围内。

较大尺寸的芯片拥有另一优势，即更大的空间可容纳更多的像素，因而提供更高的分辨率。真正优势在于单个像素的尺寸仍足以确保能够取得较好的信噪比；而较小的芯片的表面只能容纳较少的大像素。

请记住即使拥有大型芯片和很多大像素，如果没有相应的镜头仍然无法取得满意效果。当与合适的镜头组合使用时，它们才能发挥全部潜力，才能产生如此高水平的分辨率。大型芯片的成本也较昂贵，因为较大的空间所需使用的硅就更多。

（2）所需相机接口的定义

除其他因素面外，相机接口的选择还取决于所需的线材长度、带宽、速度、实时性要求以及可使用的PC硬件。

许多CMOS芯片提供高数据速率，因此需要较宽的带宽。因此应选择支持高带宽、同时具有高性价比的相机接口（如GigE或USB 3.0）。这样如果需要进一步增加帧率来提高性能，该

系统就可以为未来做好充足准备。表2中列出了当前主要相机接口的性能比较。

GigE Vision和USB 3.0接口将会在一段时间内主导接口市场，因而也是向CMOS转移的最好选择。

 

表2：当前主要相机接口的性能比较。



（3）镜头和光源的选择

如果您决定采用新的芯片格式，那么就需要一个新镜头与之匹配。如果新的芯片灵敏度不同，也可能必须调整光源。现在在许多情况下甚至既能提高性能，又能降低成本。所以较小的像素允许采用较小的镜头格式，这样成本较低（只要“光学”解决方案仍然适合）。例如，用½”镜头提供超过500万像素的分辨率。

（4）软件和相机控制集成费用

符合当前接口标准（如GenICam2、USB3 Vision、GigE Vision等）的相机通常易于集成。以前的编程可能仍然有效，只需要调整必要的记录参数。如果以前的解决方案没有对应于一种标准，整合成本必然比较高，但仍然值得，因为新的解决方案可以为未来做好充分准备，这样随时可以集成成本较低的相机。

（5）选择下一个适合的相机

在选择适合的CMOS相机时，您应该牢记表3中提到的几个要点。

表3：选择CMOS相机时应牢记的几个要点。

光学格式

和像素大小 

如果不希望更改镜头，则应该保持不变。如果灵敏度提高并且镜头可以更改，则该参数可以变小。

帧率 

理想情况下应该更高（以实现系统中的性能改进）

EMVA数据

应该相同或更好

灵敏度/波长

如果光源不做调整，参数应该基本不变

相机设计尺寸

应该相同或更小

相机固件功能

如果到目前为止使用特定固件功能，这些应详细比较。基于CMOS的现代相机通常提供更多功能：如锐化或降噪算法等

软件和编程

如果之前使用符合标准（如GenICam和GigE vision）的软件完成处理，那么应该保持相同的兼容性，这样编程所需的调整才能尽可能小。如果使用专利软件，应该为编程调整留出更多时间。因此建议改为符合标准的软件。

相机接口 

 

如果是USB 3.0或GigE，请采用相同的接口；对于旧接口或基于采集卡的接口，应考虑进行改变，以降低系统成本和/或具备可以满足未来需要的可持续性设计。

Basler公司的网站上还提供了“相机选型助手”，帮助用户寻找理想的CMOS相机来替代CCD相机。

总结

现代的CMOS芯片均普遍优于多抽头CCD或标准CCD芯片。这些CMOS芯片不仅具有价格优势，而且能提供更快的速度、更高的分辨率、更少的图像干涉或极低的发热。若用户选择符合行业标准的软件和硬件，CMOS相机的部署会非常简单，让用户享受高速度、低成本，且不降低图像质量。

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