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一文讀懂CMOS圖像傳感器

qq876811522 ? 來源:半導體設備資訊站 ? 2023-12-21 17:00 ? 次閱讀

1873年,科學家約瑟·美(Joseph May)及偉洛比·史密夫(WilloughbySmith)就發(fā)現(xiàn)了硒元素結晶體感光后能產生電流,由此,電子影像發(fā)展開始,隨著技術演進,圖像傳感器性能逐步提升。1.20世紀50年代——光學倍增管(Photo Multiplier Tube,簡稱PMT)出現(xiàn)。2.1965年-1970年,IBM、Fairchild等企業(yè)開發(fā)光電以及雙極二極管陣列。3.1970年,CCD圖像傳感器在Bell實驗室發(fā)明,依靠其高量子效率、高靈敏度、低暗電流、高一致性、低噪音等性能,成為圖像傳感器市場的主導。4.90年代末,步入CMOS時代。

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圖像傳感器的歷史沿革——PMT1.光電倍增管(簡稱光電倍增管或PMT),真空光電管的一種。工作原理是:由光電效應引起,在PMT入射窗處撞擊光電陰極的光子產生電子,然后由高壓場加速,并在二次加工過程中在倍增電極鏈中倍增發(fā)射。2.光電倍增管是一種極其靈敏的光檢測器,可探測電磁波譜紫外,可見和近紅外范圍內光源,提供與光強度成比例的電流輸出,廣泛應用于驗血,醫(yī)學成像,電影膠片掃描(電視電影),雷達干擾和高端圖像掃描儀鼓掃描儀中。

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圖像傳感器的歷史沿革——CCD

1.數字成像始于1969年,由Willard Boyle和George E. Smith于AT&T貝爾實驗室發(fā)明。

2.最初致力于內存→“充電'氣泡'設備”,可以被用作移位寄存器和區(qū)域成像設備。

3.CCD是電子設備,CCD在硅芯片IC)中進行光信號與電信號之間的轉換,從而實現(xiàn)數字化,并存儲 為計算機上的圖像文件。

4.2009年, Willard Boyle和George E. Smith獲得諾貝爾物理學獎。

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國際空間站使用CCD相機

1.1997年,卡西尼國際空間站使用CCD相機(廣角和窄角)

2.美國宇航局局長丹尼爾戈爾丁稱贊CCD相機“更快,更好,更便宜”;聲稱在未來的航天器上減少質量,功率,成本,都需要小型化相機。而電子集成便是小型化的良好途徑,而基于MOS的圖像傳感器便擁有無源像素和有源像素(3T)的配置。

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圖像傳感器的歷史沿革——CMOS圖像傳感器

1.CMOS圖像傳感器使得“芯片相機”成為可能,相機小型化趨勢明顯。

2.2007年,Siimpel AF相機模型的出現(xiàn)標志著相機小型化重大突破。

3.芯片相機的崛起為多個領域(車載,軍工航天、醫(yī)療、工業(yè)制造、移動攝影、安防)等領域的技術創(chuàng)新提供了新機遇。公眾號《機械工程文萃》,工程師的加油站!

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CMOS圖像傳感器走向商業(yè)化

1.1995年2月,Photobit公司成立,將CMOS圖像傳感器技術實現(xiàn)商業(yè)化。

2.1995-2001年間,Photobit增長到約135人,主要包括:私營企業(yè)自籌資金的定制設計合同、SBIR計劃的重要支持(NASA/DoD)、戰(zhàn)略業(yè)務合作伙伴的投資,這期間共提交了100多項新專利申請。

3.CMOS圖像傳感器經商業(yè)化后,發(fā)展迅猛,應用前景廣闊,逐步取代CCD成為新潮流。

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CMOS圖像傳感器的廣泛應用

2001年11月,Photobit被美光科技公司收購并獲得許可回歸加州理工學院。與此同時,到2001年,已有數十家競爭對手嶄露頭角,例如Toshiba,STMicro,Omnivision,CMOS圖像傳感器業(yè)務部分歸功于早期的努力促進技術成果轉化。后來,索尼和三星分別成為了現(xiàn)在全球市場排名第一,第二。后來,Micron剝離了Aptina,Aptina被ON Semi收購,目前排名第4。CMOS傳感器逐漸成為攝影領域主流,并廣泛應用于多種場合。

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CMOS圖像傳感器發(fā)展歷程

70年代:Fairchild

80年代:Hitachi

80年代初期:Sony

1971年:發(fā)明FDA&CDS技術

80年中葉:在消費市場上實現(xiàn)重大突破;

1990年:NHK/Olympus,放大MOS成像儀(AMI),即CIS

1993年:JPL,CMOS有源像素傳感器,

1998年:單芯片相機,2005年后:CMOS圖像傳感器成為主流。

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CMOS圖像傳感器技術簡介

CMOS圖像傳感器

CMOS圖像傳感器(CIS)是模擬電路和數字電路的集成。主要由四個組件構成:微透鏡、彩色濾光片 (CF)、光電二極管(PD)、像素設計。

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1.微透鏡:具有球形表面和網狀透鏡;光通過微透鏡時,CIS的非活性部分負責將光收集起來并將其聚焦到彩色濾光片。

2.彩色濾光片(CF):拆分反射光中的紅、綠、藍 (RGB)成分,并通過感光元件形成拜爾陣列濾鏡。

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3.光電二極管(PD):作為光電轉換器件,捕捉光并轉換成電流;一般采用PIN二極管或PN結器件制成。

4.像素設計:通過CIS上裝配的有源像素傳感器(APS)實現(xiàn)。APS常由3至6個晶體管構成,可從大型電容陣列中獲得或緩沖像素,并在像素內部將光電流轉換成電壓,具有較完美的靈敏度水平和的噪聲指標。

Bayer陣列濾鏡與像素

1.感光元件上的每個方塊代表一個像素塊,上方附著著一層彩色濾光片(CF),CF拆分完反射光中的RGB成分后,通過感光元件形成拜爾陣列濾鏡。經典的Bayer陣列是以2x2共四格分散RGB的方式成像,Quad Bayer陣列擴大到了4x4,并且以2x2的方式將RGB相鄰排列。公眾號《機械工程文萃》,工程師的加油站!

2.像素,即亮光或暗光條件下的像素點數量,是數碼顯示的基本單位,其實質是一個抽象的取樣,我們用彩色方塊來表示。

3.圖示像素用R(紅)G(綠)B(藍)三原色填充,每個小像素塊的長度指的是像素尺寸,圖示尺寸為0.8μm。

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Bayer陣列濾鏡與像素

濾鏡上每個小方塊與感光元件的像素塊對應,也就是在每個像素前覆蓋了一個特定的顏色濾鏡。比如紅色濾鏡塊,只允許紅色光線投到感光元件上,那么對應的這個像素塊就只反映紅色光線的信息。隨后還需要后期色彩還原去猜色,最后形成一張完整的彩色照片。感光元件→Bayer濾鏡→色彩還原,這一整套流程,就叫做Bayer陣列。

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前照式(FSI)與背照式(BSI)

早期的CIS采用的是前面照度技術FSI(FRONT-SIDE ILLUMINATED),拜爾陣列濾鏡與光電二極管(PD)間夾雜著金屬(鋁,銅)區(qū),大量金屬連線的存在對進入傳感器表面的光線存在較大的干擾,阻礙了相當一部分光線進入到下一層的光電二極管(PD),信噪比較低。技術改進后,在背面照度技術BSI(FRONT-SIDE ILLUMINATED)的結構下,金屬(鋁,銅)區(qū)轉移到光電二極管(PD)的背面,意味著經拜爾陣列濾鏡收集的光線不再眾多金屬連線阻擋,光線得以直接進入光電二極管;BSI不僅可大幅度提高信噪比,且可配合更復雜、更大規(guī)模電路來提升傳感器讀取速度。

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CIS參數——幀率

幀率(Frame rate):以幀為單位的位圖圖像連續(xù)出現(xiàn)在顯示器上的頻率,即每秒能顯示多少張圖片。而想要實現(xiàn)高像素CIS的設計,很重要的一點就是Analog電路設計,像素上去了,沒有匹配的高速讀出和處理電路,便無辦法以高幀率輸出出來。

索尼早于2007年chuan'gan發(fā)布了首款Exmor傳感器。Exmor傳感器在每列像素下方布有獨立的ADC模數轉換器,這意味著在CIS芯片上即可完成模數轉換,有效減少了噪聲,大大提高了讀取速度,也簡化了PCB設計。

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CMOS圖像傳感器的應用

CMOS圖像傳感器全球市場規(guī)模

2017年為CMOS圖像傳感器高增長點,同比增長達到20%。2018年,全球CIS市場規(guī)模155億美元,預計2019年同比增長10%,達到170億美元。

目前,CIS市場正處于穩(wěn)定增長期,預計2024年市場逐漸飽和,市場規(guī)模達到240億美元。

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CIS應用——車載領域

1.車載領域的CIS應用包括:后視攝像(RVC),全方位視圖系統(tǒng)(SVS),攝像機監(jiān)控系統(tǒng)(CMS),F(xiàn)V/MV,DMS/IMS系統(tǒng)。

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2.汽車圖像傳感器全球銷量呈逐年增長趨勢。

3.后視攝像(RVC)是銷量主力軍,呈穩(wěn)定增長趨勢,2016年全球銷量為5100萬臺,2018年為6000萬臺,2019年達到6500萬臺,2020年超過7000萬臺。

4.FV/MV全球銷量增長迅速,2016年為1000萬臺,2018年為3000萬臺,此后,預計FV/MV將依舊保持迅速增長趨勢,019年銷量4000萬臺,2021達7500萬臺,直逼RVC全球銷量。

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車載領域——HDR技術方法

1.HDR解決方案,即高動態(tài)范圍成像,是用來實現(xiàn)比普通數位圖像技術更大曝光動態(tài)范圍。

2.時間復用。相同的像素陣列通過使用多個卷簾(交錯HDR)來描繪多個邊框。好處:HDR方案是與傳統(tǒng)傳感 器兼容的最簡單的像素技術。缺點:不同時間發(fā)生的捕獲導致產生運動偽影。

3.空間復用。單個像素陣列幀被分解為多個,通過不同的方法捕獲:1.像素或行級別的獨立曝光控制。優(yōu)點:單幀中的運動偽影比交錯的運動偽影少。缺點:分辨率損失,且運動偽影仍然存在邊緣。2.每個像素共用同一微透鏡的多個光電二極管。優(yōu)點:在單個多捕獲幀中沒有運動偽影;缺點:從等效像素區(qū)域降低靈敏度。

4.非常大的全井產能。

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全攝像頭芯片CMOS圖像傳感器行業(yè)報告!

導讀:CMOS圖像傳感器(CIS)是模擬電路和數字電路的集成。主要由四個組件構成:微透鏡、 彩色濾光片(CF)、光電二極管(PD)、像素設計。

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豪威發(fā)明了嵌入式CMOS圖像傳感器芯片,12%的研發(fā)投入,900人的研發(fā)團隊,300人硅谷原創(chuàng)性研發(fā)人員,是世界級的硬科技核心資產:

1、最好的賽道:全球三大芯片產品之一(存儲,CPU,圖像傳感器),2018年圖像傳感器市場規(guī)模130億美元,預計2023年會成長到200億美元市場。

2、競爭格局優(yōu):索尼開始走定制化只專注于高端產品系列,三星重心在存儲器,其他同業(yè)參與者只做低像素的標準品,豪威是全產品系列全應用領域覆蓋。

3、高成長增速:隨著公司不斷搶占份額以及新產品推出,公司未來5年會成為增速國內僅次于華為海思半導體設計公司。

CMOS和CCD圖像傳感器有什么區(qū)別?9張動畫來說明

智能制造,自動化等設備中,離不開機械視覺,而說起機器視覺,一定少不了圖像傳感器。

幾十年來,CCD和CMOS技術,一直在爭奪圖像傳感器的優(yōu)勢。

那么這兩種傳感器有什么區(qū)別?

今天我們就來分享一下。

先給結果,再看圖說話。

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CCD VS CMOS

CMOS其實是Complementary Metal Oxide Semiconductor的簡稱,中文稱為互補金屬氧化物半導體。而CCD是Charge-Coupled Device的簡稱,含義是電荷耦合器件。

是不是覺得很拗口?

還是CMOS和CCD更順耳。

CCD傳感器的名稱來源于捕獲圖像后如何讀取電荷。

利用特殊的制造工藝,傳感器能夠在不影響圖像質量的情況下傳輸累積的電荷。

整個像素區(qū)域可以看著是個矩陣,每個矩陣單元就是一個像素。

01

CMOS和CCD的微觀結構

CCD的基本感光單元,是金屬氧化物半導體電容器(MOS= Metal Oxide Semiconductor Capacity),它用作光電二極管和存儲設備。

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典型的 CCD 器件有四層:(a)底部摻雜硼的硅襯底(Silicon Substrate)、(b)溝道停止層(Channel Stop)、(c)氧化層(Silicon Dioxide)和(d)用于控制的柵電極(Polysilicon Gate Electrode)。

當柵極電壓高時,氧化層下方會產生勢能阱(Potential Well)。傳入的光子可以激發(fā)勢阱中的電子,這些電子可以被收集和引導,周圍的摻雜區(qū)可防止受激電子泄漏。

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使用 CCD相機生成圖像,可分為四個主要階段或功能:通過光子與器件光敏區(qū)域相互作用產生電荷、收集和存儲釋放的電荷、電荷轉移和電荷測量。

①信號電荷的產生:CCD工作過程的第一步是電荷的產生。CCD可以將入射光信號轉換為電荷輸出,依據的是半導體的內光電效應(光伏效應)。

②信號電荷的存儲:CCD工作過程的第二步是信號電荷的收集,就是將入射光子激勵出的電荷收集起來成為信號電荷包的過程。

③信號電荷的傳輸(耦合):CCD工作過程的第三步是信號電荷包的轉移,就是將所收集起來的電荷包從一個像元轉移到下一個像元,直到全部電荷包輸出完成的過程。

④信號電荷的檢測:CCD工作過程的第四步是電荷的檢測,就是將轉移到輸出級的電荷轉化為電流或者電壓的過程。

這個過程可以用下面的動畫來表示。

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CCD中電荷轉移示意圖

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CCD中電荷轉移示意圖

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CMOS微觀結構示意圖。

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CMOS微觀結構:和CCD最大的區(qū)別在于電荷的傳輸方式不同,CMOS使用金屬導線傳遞。

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CMOS像元工作示意圖。傳感器像素(一個反向偏置的二極管)連接到讀出芯片中的像素電子元件。

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CMOS像元工作示意圖。

02

CMOS和CCD傳感器工作原理

先來兩張外觀圖,感覺一下CMOS和CCD長什么樣。

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CMOS外觀圖;包含像元,數字邏輯電路,信號處理器,時鐘控制器等。

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CCD外觀圖:包含水平和垂直移位寄存器,以及用于水平和垂直移位寄存器的時鐘控制器, 還有輸出放大器等。

把這兩種傳感器抽象一下,有下面這兩張電路圖。

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CCD傳感器電路圖:電壓轉換必須在電荷傳送到水平移位寄存器后。

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CMOS傳感器示意圖:各個像元內包含感光元件和電壓轉換器,可以在像元內把光子轉換成電壓。

忽略電路板部分,只關注感光部分,有如下的示意圖。

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CCD傳感器示意圖。CCD本質上是一個大陣列的半導體“桶”,可以將傳入的光子轉換為電子并保持累積的電荷。這些電荷,可以被垂直移位寄存器,向下轉移到水平移位寄存器,水平移位寄存器以將電荷轉換為電壓并輸出。

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CMOS傳感器示意圖?;パa金屬氧化物半導體設計不是傳輸電荷桶,而是立即將電荷轉換為電壓,并在微線上輸出電壓。

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CMOS圖像傳感器工作示意圖。CCD在過程結束時將電荷轉換為電壓,而CMOS傳感器則在開始時執(zhí)行此轉換(因為各像元內包含電壓轉換器)。然后可以通過緊湊、節(jié)能的微型電線輸出電壓。

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CMOS圖像傳感器工作示意圖,每個像元獨立產生電壓,可迅速輸出。

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CCD圖像傳感器工作示意圖:在各個光電傳感器中累積電荷后,它們會同時傳輸到垂直移位寄存器中,在此寄存器中電荷向下垂直移動并穿過水平寄存器。最后,電荷被轉換為電壓并被放大。

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全幅CCD圖像傳感器工作示意圖。全幅CCD是結構最簡單的傳感器,可以以非常高的分辨率生產。它們只有一個單線傳輸寄存器作為緩沖器,不能通過傳感器控制設置快門速度。因此,傳感器必須位于機械快門后面,因為光敏傳感器表面只能在曝光時間內暴露在光線下。全幅CCD主要用于科學和天文學中的攝影目的。

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行間傳輸CCD圖像傳感器工作示意圖。在曝光時間結束時,來自傳感器單元的電荷同時傳輸到所有像素的中間存儲器,并通過垂直和水平位移從那里讀出。行間傳輸CCD的優(yōu)勢在于它們可以快速、完全地從傳感器單元接收圖像信息,中間存儲不需要機械鎖。這種設計的缺點是,傳感器的填充系數較低,這會導致對光的敏感度降低,或在低光下更容易產生噪音。

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幀傳輸CCD工作示意圖。曝光后,存儲的圖像或單元中的電荷會非常迅速地轉移到轉移寄存器中。然后以與全幀 CCD相同的方式從傳輸寄存器讀取電荷。

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幀間行傳輸CCD工作示意圖。結合了行間和全幅CCD原理。通過這種結構,有源傳感器單元的電荷可以非??焖俚貍鬏數街虚g存儲單元,并從那里同樣快速地傳輸到完全不透光的傳輸寄存器。

關于CCD工作原理,有一個經典的區(qū)域雨水測量比喻。

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CCD串行讀出方式,可以用桶旅測量區(qū)域雨量來示意。其中落在桶陣列上的降雨強度可能因地而異,與成像傳感器上的入射光子相似,如圖(a)。

這些桶在積分期間收集了不同數量的信號(水),桶在傳送帶上向代表串行寄存器(Serial Bucket Array)的一排空桶傳送。在圖(b),一整排存儲桶被并行移動到串行寄存器的存儲庫中。串行移位和讀出操作如圖(c)所示,其中描繪了每個桶中累積的雨水被順序轉移到校準的測量容器中,這類似于CCD輸出放大器。當串行傳送帶上所有容器的內容物按順序測量完畢后,另一列并行班次(Parallel Register Shift)將下一行收集桶的內容物轉移到串行記錄容器中,重復該過程,直到每個桶(像素)的內容物都測量完畢。

下面這個動畫,示意這個有趣的過程,注意,實際是一桶一桶地測量。

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CCD雨量比喻示意圖。

03

結論

有了前面的了解,我們就直接給出結論了。

CCD和CMOS傳感器之間的主要區(qū)別在于處理每個像素的方式:CCD將光生電荷從一個像素移動到另一個像素,并在輸出節(jié)點將其轉換為電壓。CMOS成像器,在每個像素上使用多個晶體管,將每個像素內的電荷轉換為電壓,以使用更傳統(tǒng)的導線放大和移動電荷。

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CCD和CMOS傳感器的區(qū)別:CCD像元產生的電荷,需要先寄存在垂直寄存器中,然后分行傳送到水平寄存器,最后單獨依次測量每個像元的電荷并放大輸出信號。而CMOS傳感器,則可以在每個像元中產生電壓,然后通過金屬線,傳送到放大器輸出,速度更快。

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CCD將光生電荷從一個像素移動到另一個像素,并在輸出節(jié)點將其轉換為電壓。CMOS成像器,在每個像素上使用多個晶體管,將每個像素內的電荷轉換為電壓,以使用更傳統(tǒng)的導線放大和移動電荷。

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CMOS VS CCD

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CCD VS CMOS。

CMOS比CCD有一些明顯的優(yōu)勢:

CMOS 傳感器具有比 CCD 更快的數據檢索速度。在 CMOS中,每個像素都單獨放大,而不是在 CCD 中的公共端節(jié)點處理數據。這意味著每個像素都有自己的放大器,處理器消耗的噪聲可以在像素級調低,然后放大以獲得更高的清晰度,而不是在端節(jié)點一次性放大每個像素的原始數據。

CMOS 傳感器更節(jié)能且生產成本更低。它們可以通過重新利用現(xiàn)有的半導體來構建。與CCD中的高壓模擬電路相比,這些也使用更少的功率。

CCD傳感器的圖像質量優(yōu)于CMOS傳感器。然而,CMOS傳感器在功耗和價格等方面優(yōu)于CCD傳感器。

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原文標題:一文讀懂CMOS圖像傳感器

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