CMOS圖像傳感器與CCD的比較及發(fā)展現(xiàn)狀

　　摘要：當(dāng)前，CMOS圖像傳感器主要朝著高分辨率、高動(dòng)態(tài)范圍、高敏度、超微型化、數(shù)字化、多功能化的方向展。
　　
　　一、引言
　　
　　70年代初美國貝爾實(shí)驗(yàn)室研制成功*只電耦合器件（CCD），之后CCD技術(shù)發(fā)展迅速。CCD圖像傳感器作為一種新型光電轉(zhuǎn)換器已被廣泛的應(yīng)用于攝像、圖像采集、掃描儀以及工業(yè)測量等領(lǐng)域。隨著CCD應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，其缺點(diǎn)逐漸暴露出來。為此，人們又開發(fā)了另外幾種固體圖像傳感器技術(shù)。其中，zui引人注目、zui有發(fā)展?jié)摿Φ氖荂MOS圖像傳感器，它能獲得和CCD產(chǎn)品相似的圖像質(zhì)量，且在功耗、集成度上都取得了很大突破。
　　
　　二、CCD結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)
　　
　　CCD即電荷耦合器件，是1種高性能微型圖像傳感器。這種新型光電成像器件具有靈敏度高、光潛響應(yīng)寬、集成度高、維護(hù)方便、成本低廉等一系列優(yōu)點(diǎn)，在國防、*、醫(yī)學(xué)、工業(yè)、醫(yī)學(xué)、生物、天文、地質(zhì)、宇航等科學(xué)和技術(shù)各領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，是現(xiàn)代zui重要的圖像傳感器之一。電荷耦合器件（CCD）的突出特點(diǎn)是以電荷為信號(hào)，而不同于其它大多數(shù)器件是以電流或者電壓為信號(hào)。構(gòu)成CCD的基本單元是MOS（金屬-氧化物-半導(dǎo)體）結(jié)構(gòu)。CCD的基本功能是電荷的存儲(chǔ)和電荷的轉(zhuǎn)移。工作時(shí)，需要在金屬柵極加上一定的偏壓，形成勢阱以容納電荷，電荷的多少基本與光強(qiáng)成線性關(guān)系。電荷讀出時(shí)，在一定相位關(guān)系的移位脈沖作用下，從一個(gè)位置移動(dòng)到下一個(gè)位置，直到移出CCD，經(jīng)過電荷-電壓變換，轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)。由于CCD每個(gè)像元的勢阱容納電荷的能力是有一定限制的，如果光照太強(qiáng)，一旦勢阱中被電荷填滿，電子將產(chǎn)生“溢出”現(xiàn)象。另外，CCD的電荷讀出時(shí)，是從一個(gè)位置到下一個(gè)位置的電荷轉(zhuǎn)移過程，存在電荷的轉(zhuǎn)移效率和轉(zhuǎn)移損失問題。CCD圖像傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理，決定了這類器件有以下優(yōu)點(diǎn)：
　　
　　1CCD是一種固體化器件，體積小、重量輕、可靠性高、壽命長；
　　
　　2圖像畸變小、尺寸重現(xiàn)性好；
　　
　　3具有較高的空間分辨率；
　　
　　4光敏元間距的幾何尺寸精度高，可獲得較高的定位精度和測量精度；
　　
　　5具有較高光電靈敏度和較大動(dòng)態(tài)范圍。
　　
　　三、CMOS圖像傳感器結(jié)構(gòu)
　　
　　CMOS圖像傳感器一般由光敏單元陣列、行選通邏輯、列選通邏輯、定時(shí)和控制電路，及在片模擬信號(hào)處理器（ASP）構(gòu)成。更的CMOS圖像傳感器還集成有在片模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）。該類器件采用單一的5V電源。
　　
　　行選通邏輯和列選通邏輯可以是移位寄存器，或是譯碼器。定時(shí)和控制電路限制信號(hào)讀出模式、設(shè)定積分時(shí)間、控制數(shù)據(jù)輸出率等。在片模擬信號(hào)處理器完成信號(hào)積分、放大、取樣和保持、相關(guān)雙取樣、雙《取樣等功能。在片模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器是在片數(shù)字成像系統(tǒng)所必需的，CMOS圖像傳感器可以是整個(gè)成像陣列有一個(gè)ADC或幾個(gè)ADC（每個(gè)一種顏色），也可以是成像陣列每列各有一個(gè)ADC.光敏單元將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)在片信號(hào)處理電路處理后，以模擬或數(shù)字形式的信號(hào)輸出。
　　
　　四、CMOS與CCD的比較
　　
　　1、靈敏度比較
　　
　　靈敏度代表傳感器的光敏單元收集光子產(chǎn)生電荷信號(hào)的能力。CCD圖像傳感器靈敏度較CMOS圖像傳感器高30%~50%。這主要因?yàn)镃CD像元耗盡區(qū)深度可達(dá)10mm，具有可見光及近紅外光譜段的*收集能力。CMOS圖像傳感器由于采用0.18~0.5mm標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝，由于采用低電阻率硅片須保持低工作電壓，像元耗盡區(qū)深度只有1~2mm，其吸收截止波長小于650nm，導(dǎo)致像元對(duì)紅光及近紅外光吸收困難。3.2電子-電壓轉(zhuǎn)換率電子-電壓轉(zhuǎn)換率表示每個(gè)信號(hào)電子轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)的大小。由于CMOS圖像傳感器在像元中采用高增益低功耗互補(bǔ)放大器結(jié)構(gòu)，其電壓轉(zhuǎn)換率略優(yōu)于CCD圖像傳感器。CCD圖像傳感器要達(dá)到同樣的電壓轉(zhuǎn)換率需要付出進(jìn)一步增大器件功耗的代價(jià)。
　　
　　CCD研制者正進(jìn)一步研究新的讀出放大器結(jié)構(gòu)以提高響應(yīng)率。
　　
　　2、響應(yīng)速度
　　
　　響應(yīng)速度由于CCD采用串行連續(xù)掃描的工作方式，必須一次性的讀出整行或整列的像素?cái)?shù)據(jù)。而COMS由于采用單點(diǎn)信號(hào)傳輸，通過簡單的X-Y尋址技術(shù)，允許從整個(gè)排列，部分甚至單元來讀出數(shù)據(jù)，從而提高尋址速度，實(shí)現(xiàn)更快的信號(hào)傳輸。
　　
　　3、噪聲比較
　　
　　CCD的特色在于從充分保持信號(hào)在傳輸是不失真（有專屬通道設(shè)計(jì)）。透過每一個(gè)像素集合至單一放大器上做統(tǒng)一處理?？梢员３仲Y料的完整性。相對(duì)地，CMOS的設(shè)計(jì)中每個(gè)像素旁就直接連著ADC（放大兼模擬/數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換器），沒有專署通道設(shè)計(jì)。因此必須先放大再整合各個(gè)像素的資料。所以CMOS計(jì)算出的早點(diǎn)要比CCD多，這將會(huì)影響到圖像品質(zhì)。
　　
　　4、成本比較
　　
　　由于CMOS傳感器采用半導(dǎo)體電路zui常用的CMOS工藝，可以輕易的將。
　　
　　周邊的電路（如AGC、DDS、時(shí)鐘、DSP等）集成到傳感器芯片中，因此可以節(jié)省外圍芯片的成本；而CCD傳感器采用電荷傳遞方式傳送數(shù)據(jù)。其中有一個(gè)像素不能運(yùn)行。將會(huì)導(dǎo)致一整排的數(shù)據(jù)不能傳送。控制CCD傳感器的成品率會(huì)比CMOS傳感器難的多。因此，CCD傳感器的成本要高于CMOS.
　　
　　因此總的說CCD和CMOS比較，雖然CCD傳感器和CMOS傳感器都是上世紀(jì)70年代開始研制，但由于CCD傳感器靈敏度高、噪聲低而成為圖像傳感器的主流?；パa(bǔ)金屬氧化物（CMOS）圖像傳感器由于工藝上的原因，一直沒擺脫光照靈敏度低、噪聲降不下來和圖像分辨率低等缺點(diǎn)而得不到重視和發(fā)展。
　　
　　CCD圖像傳感器也由于敏感元件和信號(hào)處理電路不能集成在同一芯片上而使CCD攝像機(jī)/照相機(jī)體積大、功耗大。
　　
　　CMOS傳感器卻有集成度高、功耗小和造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，如果CMOS圖像傳感器能克服以上缺點(diǎn)而保持原有的優(yōu)點(diǎn)，就比CCD傳感器的應(yīng)用更有優(yōu)勢。由于集成電路設(shè)計(jì)技術(shù)和工藝水平的提高，CMOS圖像傳感器過去存在的缺點(diǎn)，現(xiàn)在都可以找到辦法克服，而且它固有的優(yōu)點(diǎn)更是CCD器件所*的，因而它再次成為研究的熱點(diǎn)。CCD傳感器需要多個(gè)不同電壓來使它工作，而CMOS傳感器只需單電壓工作，這也是它相比CCD傳感器另一個(gè)極大的優(yōu)點(diǎn)。CCD傳感器需要在外部配接放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、時(shí)序電路等等，造成體積龐大，讀出速度受到限制。而CMOS圖像傳感器卻相當(dāng)一個(gè)完整的圖像系統(tǒng)。一個(gè)典型的CMOS圖像傳感器通常包含：一個(gè)圖像傳感器核心，這與CCD圖像傳感器相似，所有的時(shí)序邏輯電路、單一時(shí)鐘及芯片內(nèi)的可編程功能，比如增益調(diào)節(jié)、積分時(shí)間、窗口和模數(shù)轉(zhuǎn)換器。與傳統(tǒng)的CCD圖像系統(tǒng)相比，把整個(gè)圖像系統(tǒng)集成在一塊芯片上不僅降低了功耗，而且具有重量較輕，占用空間減少以及總體價(jià)格更低的優(yōu)點(diǎn)。
　　
　　五、發(fā)展現(xiàn)狀
　　
　　當(dāng)前，CMOS圖像傳感器主要朝著高分辨率、高動(dòng)態(tài)范圍、高敏度、超微型化、數(shù)字化、多功能化的方向展。1996年就有采用0.5mCMOS工藝開發(fā)出2048×2048陣列的CMOS圖像傳感器的報(bào)道。當(dāng)采用0.25mCMOS工藝時(shí)，相信將生產(chǎn)出陣列更高的傳感器通過采用新工藝和改善相關(guān)雙采樣電路能有效降低固定模式噪聲，減小暗電流；通過采用棱鏡可使填充系數(shù)超70%;通過在像素單元下面使用一層摻雜層可使填充系數(shù)達(dá)到。一種階躍的復(fù)位柵電壓技術(shù)能將APSCMOS圖像傳感器的動(dòng)態(tài)范圍提高90dB;采用ASIC技術(shù)的薄膜圖像傳感器允許增強(qiáng)局部像元對(duì)比度，可使動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到120dB.再考慮到CMOS圖像傳感器具有體積小、功耗低、高集成度、新型USB計(jì)算機(jī)接口及紅外接口技術(shù)這些突出的優(yōu)點(diǎn)，相信一個(gè)嶄新的數(shù)字圖像技術(shù)時(shí)代即將來臨。