CMOS图像传感器与CCD的比较及发展现状

关键词： CCD , CMOS , 图像传感器

　　一、引言
　　70 年代初美国贝尔实验室研制成功第一只电耦合器件（ CCD） ， 之后CCD技术发展迅速。CCD 图像传感器作为一种新型光电转换器已被广泛的应用于摄像、图像采集、扫描仪以及工业测量等领域。随着CCD 应用范围的扩大， 其缺点逐渐暴露出来。为此， 人们又开发了另外几种固体图像传感器技术。其中， 最引人注目、最有发展潜力的是CM OS 图像传感器， 它能获得和CCD 产品相似的图像质量， 且在功耗、集成度上都取得了很大突破。
　　二、CCD 结构及其特点
　　CCD 即电荷耦合器件， 是1 种高性能微型图像传感器。这种新型光电成像器件具有灵敏度高、光潜响应宽、集成度高、维护方便、成本低廉等一系列优点，在国防、公安、医学、工业、医学、生物、天文、地质、宇航等科学和技术各领域有着广泛的应用， 是现代最重要的图像传感器之一。电荷耦合器件（ CCD） 的突出特点是以电荷为信号， 而不同于其它大多数器件是以电流或者电压为信号。构成CCD 的基本单元是M OS（金属- 氧化物- 半导体） 结构。CCD 的基本功能是电荷的存储和电荷的转移。工作时， 需要在金属栅极加上一定的偏压， 形成势阱以容纳电荷， 电荷的多少基本与光强成线性关系。电荷读出时， 在一定相位关系的移位脉冲作用下， 从一个位置移动到下一个位置， 直到移出CCD， 经过电荷- 电压变换， 转换为模拟信号。由于CCD 每个像元的势阱容纳电荷的能力是有一定限制的， 如果光照太强， 一旦势阱中被电荷填满， 电子将产生“溢出”现象。另外，CCD 的电荷读出时， 是从一个位置到下一个位置的电荷转移过程， 存在电荷的转移效率和转移损失问题。CCD 图像传感器的结构和工作原理， 决定了这类器件有以下优点：
　　1 CCD 是一种固体化器件， 体积小、重量轻、可靠性高、寿命长；
　　2 图像畸变小、尺寸重现性好；
　　3 具有较高的空间分辨率；
　　4 光敏元间距的几何尺寸精度高，可获得较高的定位精度和测量精度；
　　5 具有较高光电灵敏度和较大动态范围。
　　三、CMOS 图像传感器结构
　　CM OS 图像传感器一般由光敏单元阵列、行选通逻辑、列选通逻辑、定时和控制电路， 及在片模拟信号处理器（ ASP） 构成。更高级的CM OS 图像传感器还集成有在片模数转换器（ ADC）。该类器件采用单一的5V 电源。
　　行选通逻辑和列选通逻辑可以是移位寄存器， 或是译码器。定时和控制电路限制信号读出模式、设定积分时间、控制数据输出率等。在片模拟信号处理器完成信号积分、放大、取样和保持、相关双取样、双《 取样等功能。在片模拟/数字转换器是在片数字成像系统所必需的，CM OS 图像传感器可以是整个成像阵列有一个ADC 或几个ADC （ 每个一种颜色） ， 也可以是成像阵列每列各有一个ADC.光敏单元将光信号转换为电信号，经在片信号处理电路处理后， 以模拟或数字形式的信号输出。
　　四、CMOS 与CCD 的比较
　　1 灵敏度比较
　　灵敏度代表传感器的光敏单元收集光子产生电荷信号的能力。CCD 图像传感器灵敏度较CM OS 图像传感器高30% ~50% 。这主要因为CCD 像元耗尽区深度可达10mm，具有可见光及近红外光谱段的完全收集能力。CM OS 图像传感器由于采用0.18~0.5mm 标准CM OS工艺， 由于采用低电阻率硅片须保持低工作电压， 像元耗尽区深度只有1~2mm，其吸收截止波长小于650nm ，导致像元对红光及近红外光吸收困难。3.2电子- 电压转换率电子- 电压转换率表示每个信号电子转换为电压信号的大小。由于CM OS 图像传感器在像元中采用高增益低功耗互补放大器结构， 其电压转换率略优于CCD 图像传感器。CCD图像传感器要达到同样的电压转换率需要付出进一步增大器件功耗的代价。
　　CCD 研制者正进一步研究新的读出放大器结构以提高响应率。
　　2 响应速度
　　响应速度由于CCD 采用串行连续扫描的工作方式， 必须一次性的读出整行或整列的像素数据。而COM S 由于采用单点信号传输， 通过简单的X-Y 寻址技术， 允许从整个排列， 部分甚至单元来读出数据， 从而提高寻址速度， 实现更快的信号传输。
　　3 噪声比较
　　CCD 的特色在于从充分保持信号在传输是不失真（ 有专属通道设计） 。透过每一个像素集合至单一放大器上做统一处理。可以保持资料的完整性。相对地， CM OS 的设计中每个像素旁就直接连着ADC （ 放大兼模拟/数字信号转换器） ， 没有专署通道设计。因此必须先放大再整合各个像素的资料。所以CM OS计算出的早点要比CCD 多， 这将会影响到图像品质。
　　4 成本比较
　　由于CM OS 传感器采用半导体电路最常用的CMOS 工艺， 可以轻易的将。
　　周边的电路（ 如AGC、DDS、时钟、DSP等） 集成到传感器芯片中， 因此可以节省外围芯片的成本； 而CCD 传感器采用电荷传递方式传送数据。其中有一个像素不能运行。将会导致一整排的数据不能传送。控制CCD 传感器的成品率会比CM OS 传感器难的多。因此， CCD 传感器的成本要高于CM OS.
　　因此总的说CCD 和CM OS 比较， 虽然CCD 传感器和CM OS 传感器都是上世纪70 年代开始研制， 但由于CCD 传感器灵敏度高、噪声低而成为图像传感器的主流。互补金属氧化物（CM OS）图像传感器由于工艺上的原因， 一直没摆脱光照灵敏度低、噪声降不下来和图像分辨率低等缺点而得不到重视和发展。
　　CCD 图像传感器也由于敏感元件和信号处理电路不能集成在同一芯片上而使CCD 摄像机/照相机体积大、功耗大。
　　CM OS 传感器却有集成度高、功耗小和造价低等优点， 如果CM OS 图像传感器能克服以上缺点而保持原有的优点， 就比CCD 传感器的应用更有优势。由于集成电路设计技术和工艺水平的提高，CM OS 图像传感器过去存在的缺点， 现在都可以找到办法克服， 而且它固有的优点更是CCD 器件所无法比拟的， 因而它再次成为研究的热点。CCD 传感器需要多个不同电压来使它工作， 而CM OS传感器只需单电压工作， 这也是它相比CCD 传感器另一个极大的优点。CCD 传感器需要在外部配接放大器、模数转换器、时序电路等等， 造成体积庞大， 读出速度受到限制。而CM OS 图像传感器却相当一个完整的图像系统。一个典型的CM OS 图像传感器通常包含： 一个图像传感器核心， 这与CCD 图像传感器相似， 所有的时序逻辑电路、单一时钟及芯片内的可编程功能， 比如增益调节、积分时间、窗口和模数转换器。与传统的CCD 图像系统相比， 把整个图像系统集成在一块芯片上不仅降低了功耗， 而且具有重量较轻， 占用空间减少以及总体价格更低的优点。
　　五、发展现状
　　当前，CM OS 图像传感器主要朝着高分辨率、高动态范围、高敏度、超微型化、数字化、多功能化的方向展。1996 年就有采用0.5m CM OS 工艺开发出2048×2048 阵列的CM OS 图像传感器的报道。当采用0.25mCM OS 工艺时，相信将生产出阵列更高的传感器通过采用新工艺和改善相关双采样电路能有效降低固定模式噪声，减小暗电流；通过采用棱镜可使填充系数超70% ; 通过在像素单元下面使用一层掺杂层可使填充系数达到100% 。一种阶跃的复位栅电压技术能将APSCM OS 图像传感器的动态范围提高90dB; 采用ASIC技术的薄膜图像传感器允许增强局部像元对比度， 可使动态范围达到120dB. 再考虑到CM OS图像传感器具有体积小、功耗低、高集度、新型USB 计算机接口及红外接口技术这些突出的优点， 相信一个崭新的数字图像技术时代即将来临。