（本文主要讨论机器视觉成像普通工业相机（可见光波段）中CCD芯片与CMOS芯片的优劣，关于CMOS和CCD
在近红外、近紫外成像以及其它特殊成像领域包括机器视觉成像的全面比较，请见FA知识库的另一篇文章）
2015年初，世界上最大的CCD感光芯片制造商Sony（索尼）宣布停产所有基于此技术的芯片。目前，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基于CCD的相机，他们更需要搞清楚这一问题。
本文中，德国相机BASLER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。
1. 两种芯片技术的区别是什么？
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）。然而，
两种芯片类型在传输这一信息时采用了不同的方法和手段，其各自的设计也是完全不同的。
1.1 CCD感光芯片设计
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。 由芯片中的电极所产生的电场推动
电荷的传输：
1.2 CMOS感光芯片设计
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域部分（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。
CCD芯片（左）和CMOS芯片（右）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：
它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。
2. 当需要高分辨率时：请选择多抽头CCD芯片
CCD芯片中的电荷传输需要大量的时间。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。这限制了最大帧速率。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，名叫抽头，可为每个抽头区域创
建信号和单个输出。出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，但也有缺点：非常复杂。必须逐一对各个抽头电子电路进
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，必要的时候必须适当采取降温措施。
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，
而不用多抽头体系结构。
3. 为什么在普通工业相机的应用中最新的CMOS芯片优于CCD芯片
新的CMOS芯片
新的CMOS芯片
快门
全局快门
全局快门或滚动快门
同一分辨率的相机/芯片的成本
非常高
从中等（全局快门）到非常低（滚动快门芯片的成本
最大读出速度
通常不高于20 fps
非常高（例如400万像素的全局快门芯片可达180 fps)
电耗
高
低
发热:如果不降温噪声会较高
非常高
低
成像质量：动态范围
高
低到非常高
成像质量：灵敏度
高
低到非常高
成像质量：低噪点
几乎没有
几乎没有
抽头配置的成像干涉
可能需要，必须费力校准（只适用于多抽头CCD芯片)
无
成像非自然“光晕”
有
无
成像非自然“拖尾”
有
无
上表的注释是德国basler工业相机为例说明，图像的质量很大程度上取决于确切的传感器类型和相机制造商安装
传感器的情况。
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芯片的成像质量。CCD芯片市场的世界领导者索尼之所以会停产CCD芯片，并在未来完全集中于CMOS，
这也是原因之一。
4. 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”，那么就应该更换为CMOS技术。这一原则既适用于现有系统，也适用于待开发
的新系统：
希望在系统中实现更高的帧速率，从而提高性能？
希望提高性能，在不利的光线条件下也能看到更多细节？
遇到了相机发热的问题？必须额外采取冷却措施？
遇到了可见线、光晕或拖尾等非自然成像问题？
以降低系统成本为目标？
现有的感光芯片技术已停产或面临停产？
来自智能交通系统(ITS)的一个例子：左边的图像由4抽头CCD芯片（ON Semiconductor（原柯达）的KAI4050芯片）拍
摄。右边的图像 由来自Sony的IMX174 CMOS芯片拍摄。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，该芯片显然更灵敏，相应地能在背景中提供更多细节。
要全面比较成像质量，应该看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（下图）
的图像灰度目标尺寸级频谱（上图）来决定。灰色值频谱的宽度越低越好。示例中显示了 浅灰色表面及其灰度级频谱的
图像：左边使用的是Sony ICX625的 CCD全局快门芯片，右边的是e2V的CMOS全局快门芯片EV76C560。像素大小的影响
已经消除。 所需的分辨率取决于图像中要识别的细节。
5. 就集成而言，选择基于CMOS的最新相机时应该考虑哪些方面？
。确定正确的相机分辨率： 所需的分辨率取决于需要在图像中显示的细节。
。定义所需的相机接口： 接口的选择取决于所需线材长度、带宽、必要的帧速率和实时功能以及PC硬件可用性。
。选择镜头和光源： 更改芯片格式也涉及更改镜头。如果新芯片的灵敏度与之前不同，则只需调整光源即可。
。软件和相机控制集成工作： 遵守GenICam等共同标准或像USB3 Vision或GigE Vision等接口标准的相机，集成较为简单。
6. 总结
现代的CMOS芯片均普遍优于多抽头CCD或标准CCD芯片(在普通工业相机特别是可见光领域）。这不仅仅在理想情况下应
该更高（以实现系统中的性能改进）于价格方面，而且还因为明确的技术优势，包括更快的速度、更高的分辨率、更少的
图像干涉或极低的发热。使用新的基于CMOS相机EMVA数据 的集成调换或替代CCD芯片可以非常简单，特别是如果用户
选择的应该相同或更好硬件和软件符合标准。对于您的应用程序，这意味着很多优势，比如检查零件的传输量可以显著增
加，而相机和检验系统的成本大大灵敏度/波长 减少，同时不会降低图片质量。