固體圖像傳感器CMOS與CCD技術(shù)性能對比

　　目前，市場(chǎng)上應用的固體圖像傳感器主要有CCD與CMOS兩種。本文從技術(shù)性能的角度將兩者作比較。

　　固體圖像傳感器(也稱(chēng)固體光電成像器件)有CCD與CMOS兩種。CCD是“電荷耦合器件”(ChargeCoupledDevice)的簡(jiǎn)稱(chēng)，而CMOS是“互補金屬氧化物半導體”(ComplementaryMetalOxideSemiconductor)的簡(jiǎn)稱(chēng)。CCD是1970年美國貝爾實(shí)驗室的W·B·Boyle和G·E·Smith等人發(fā)明的，從而揭開(kāi)了電荷傳輸器件的序幕。此后，人們利用這一技術(shù)制造了攝像機與數碼相機，將圖像處理行業(yè)推進(jìn)到一個(gè)全新領(lǐng)域。CCD是一種用于捕捉圖像的感光半導體芯片，廣泛運用于掃描儀、復印機、攝像機及無(wú)膠片相機等設備。作為相機，與膠卷的原理相似，光學(xué)圖像(即實(shí)際場(chǎng)景)穿過(guò)鏡頭投射到CCD上。但與膠卷不同的是CCD沒(méi)有“曝光”能力，也沒(méi)有能力記錄和存貯圖像數據，而是將圖像數據不停留地送入一個(gè)A/D轉換器、信號處理器與存貯設備，但可重復拍攝和即時(shí)調整，其影像可無(wú)限次復制而不降低質(zhì)量，也方便永久保存。

　　CMOS本來(lái)是計算機系統內的一種重要芯片，它可保存系統引導所需的大量資料。在20世紀70年代初，有人發(fā)現，將CMOS引入半導體光敏二極管后也可作為一種感光傳感器，但在分辨率、噪聲、功耗和成像質(zhì)量等方面都比當時(shí)的CCD差，因而未獲得發(fā)展。隨著(zhù)CMOS工藝技術(shù)的發(fā)展，采用標準的CMOS工藝能生產(chǎn)高質(zhì)量、低成本的CMOS成像器件。這種器件便于大規模生產(chǎn)、其功耗低與成本低廉的特性都是商家們夢(mèng)寐以求的。如今，CCD與CMOS兩者共存，CCD暫時(shí)還是“主流”，但CMOS將取代CCD而成為圖像傳感器的主流。

　　信息讀取方式的對比

　　CCD光電成像器件存貯的電荷信息，需要在二相或三相或四相時(shí)鐘驅動(dòng)脈沖的控制下，一位一位地實(shí)施轉移后逐行順序讀取。

　　而CMOS光電成像器件的光學(xué)圖像信息經(jīng)光電轉換后產(chǎn)生電流或電壓信號，這個(gè)電信號不需要像CCD那樣逐行讀取，而是從CMOS晶體管開(kāi)關(guān)陣列中直接讀取的，可增加取像的靈活性。而CCD絕無(wú)此功能。

　　速度的對比

　　由上知，CCD成像器件需在二、三、四相時(shí)鐘驅動(dòng)脈沖的控制下，以行為單位一位一位地輸出信息，所以速度較慢。

　　而CMOS成像器件在采集光電圖像信號的同時(shí)就可取出電信號，它并能同時(shí)處理各單元的圖像信息，所以速度比CCD成像器件快得多。由于CMOS成像器件的行、列電極可以被高速地驅動(dòng)，再加上在同一芯片上做A/D轉換，圖像信號能快速地取出，因此它可在相當高的幀速下動(dòng)作。如有些設計用來(lái)做機器視覺(jué)的CMOS，聲稱(chēng)可以高達每秒1000個(gè)畫(huà)面的幀速。

　　電源及耗電量的對比

　　由于CCD的像素由MOS電容構成，讀取電荷信號時(shí)需使用電壓相當大(至少12V)的二相或三相或四相時(shí)序脈沖信號，才能有效地傳輸電荷。因此CCD的取像系統除了要有多個(gè)電源外，其外設電路也會(huì )消耗相當大的功率。有的CCD取像系統需消耗2~5W的功率。

　　而CMOS光電成像器件只需使用一個(gè)單電源5V或3V，耗電量非常小，僅為CCD的1/8~1/10，有的CMOS取像系統只消耗20~50mW的功率。

　　成像質(zhì)量的對比

　　CCD成像器件制作技術(shù)起步早，技術(shù)成熟，采用PN結或二氧化硅(sio2)隔離層隔離噪聲，所以噪聲低，成像質(zhì)量好。

　　與CCD相比，CMOS的主要缺點(diǎn)是噪聲高及靈敏度低，因為CMOS成像器件集成度高，各光電元件、電路之間距離很近，相互之間的光、電、磁干擾嚴重，噪聲對圖像質(zhì)量影響很大，開(kāi)始很長(cháng)一段時(shí)間無(wú)法進(jìn)入實(shí)用。后來(lái)，噪聲的問(wèn)題用有源像素(ActivePixel)設計及噪聲補正線(xiàn)路加以降低。近年，隨著(zhù)CMOS電路消噪技術(shù)的不斷進(jìn)展，為生產(chǎn)高密度優(yōu)質(zhì)的CMOS成像器件提供了良好的條件。已有廠(chǎng)商聲稱(chēng)，所開(kāi)發(fā)出的技術(shù)，成像質(zhì)量已不比CCD差。

　　CMOS成像器件的靈敏度低，是因為像素部分面積被用來(lái)制作放大器等線(xiàn)路。在固定的芯片面積上，除非采用更精細的制造工藝，否則為了維持相當水準的靈敏度，成像器件的分辨率不能做得太高(反過(guò)來(lái)說(shuō)，固定分辯率的傳感器，芯片尺寸無(wú)法做得太小)。但目前，利用0.18μm制造技術(shù)己開(kāi)發(fā)出了4096×4096超高分辨率的CMOS圖像傳感器。