固體圖像傳感器CMOS與CCD技術(shù)性能對比

　　目前，市場上應(yīng)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)的簡稱，而CMOS是“互補金屬氧化物半導(dǎo)體”(ComplementaryMetalOxideSemiconductor)的簡稱。CCD是1970年美國貝爾實驗室的W·B·Boyle和G·E·Smith等人發(fā)明的，從而揭開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(shù)碼相機，將圖像處理行業(yè)推進到一個全新領(lǐng)域。CCD是一種用于捕捉圖像的感光半導(dǎo)體芯片，廣泛運用于掃描儀、復(fù)印機、攝像機及無膠片相機等設(shè)備。作為相機，與膠卷的原理相似，光學(xué)圖像(即實際場景)穿過鏡頭投射到CCD上。但與膠卷不同的是CCD沒有“曝光”能力，也沒有能力記錄和存貯圖像數(shù)據(jù)，而是將圖像數(shù)據(jù)不停留地送入一個A/D轉(zhuǎn)換器、信號處理器與存貯設(shè)備，但可重復(fù)拍攝和即時調(diào)整，其影像可無限次復(fù)制而不降低質(zhì)量，也方便永久保存。

　　CMOS本來是計算機系統(tǒng)內(nèi)的一種重要芯片，它可保存系統(tǒng)引導(dǎo)所需的大量資料。在20世紀(jì)70年代初，有人發(fā)現(xiàn)，將CMOS引入半導(dǎo)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(dāng)時的CCD差，因而未獲得發(fā)展。隨著CMOS工藝技術(shù)的發(fā)展，采用標(biāo)準(zhǔn)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(guī)模生產(chǎn)、其功耗低與成本低廉的特性都是商家們夢寐以求的。如今，CCD與CMOS兩者共存，CCD暫時還是“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鐘驅(qū)動脈沖的控制下，一位一位地實施轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換后產(chǎn)生電流或電壓信號，這個電信號不需要像CCD那樣逐行讀取，而是從CMOS晶體管開關(guān)陣列中直接讀取的，可增加取像的靈活性。而CCD絕無此功能。

　　速度的對比

　　由上知，CCD成像器件需在二、三、四相時鐘驅(qū)動脈沖的控制下，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就可取出電信號，它并能同時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(qū)動，再加上在同一芯片上做A/D轉(zhuǎn)換，圖像信號能快速地取出，因此它可在相當(dāng)高的幀速下動作。如有些設(shè)計用來做機器視覺的CMOS，聲稱可以高達每秒1000個畫面的幀速。

　　電源及耗電量的對比

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

　　而CMOS光電成像器件只需使用一個單電源5V或3V，耗電量非常小，僅為CCD的1/8~1/10，有的CMOS取像系統(tǒng)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(jié)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，開始很長一段時間無法進入實用。后來，噪聲的問題用有源像素(ActivePixel)設(shè)計及噪聲補正線路加以降低。近年，隨著CMOS電路消噪技術(shù)的不斷進展，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。已有廠商聲稱，所開發(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制作放大器等線路。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(dāng)水準(zhǔn)的靈敏度，成像器件的分辨率不能做得太高(反過來說，固定分辯率的傳感器，芯片尺寸無法做得太小)。但目前，利用0.18μm制造技術(shù)己開發(fā)出了4096×4096超高分辨率的CMOS圖像傳感器。