（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。

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。

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：

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。