CMOS圖像傳感器與CCD的比較及發(fā)展現(xiàn)狀

關(guān)鍵詞： CCD , CMOS , 圖像傳感器

　　一、引言
　　70 年代初美國貝爾實驗室研制成功第一只電耦合器件（ 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， 最引人注目、最有發(fā)展?jié)摿Φ氖荂M OS 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
　　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，在國防、公安、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)代最重要的圖像傳感器之一。電荷耦合器件（ CCD） 的突出特點是以電荷為信號， 而不同于其它大多數(shù)器件是以電流或者電壓為信號。構(gòu)成CCD 的基本單元是M OS（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和電荷的轉(zhuǎn)移。工作時， 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， 在一定相位關(guān)系的移位脈沖作用下， 從一個位置移動到下一個位置， 直到移出CCD， 經(jīng)過電荷- 電壓變換， 轉(zhuǎn)換為模擬信號。由于CCD 每個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， 是從一個位置到下一個位置的電荷轉(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：
　　1 CCD 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態(tài)范圍。
　　三、CMOS 圖像傳感器結(jié)構(gòu)
　　CM OS 圖像傳感器一般由光敏單元陣列、行選通邏輯、列選通邏輯、定時和控制電路， 及在片模擬信號處理器（ ASP） 構(gòu)成。更高級的CM OS 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。定時和控制電路限制信號讀出模式、設(shè)定積分時間、控制數(shù)據(jù)輸出率等。在片模擬信號處理器完成信號積分、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，CM OS 圖像傳感器可以是整個成像陣列有一個ADC 或幾個ADC （ 每個一種顏色） ， 也可以是成像陣列每列各有一個ADC.光敏單元將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)在片信號處理電路處理后， 以模擬或數(shù)字形式的信號輸出。
　　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)生電荷信號的能力。CCD 圖像傳感器靈敏度較CM OS 圖像傳感器高30% ~50% 。這主要因為CCD 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完全收集能力。CM OS 圖像傳感器由于采用0.18~0.5mm 標(biāo)準(zhǔn)CM OS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)換率表示每個信號電子轉(zhuǎn)換為電壓信號的大小。由于CM OS 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。
　　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數(shù)據(jù)。而COM S 由于采用單點信號傳輸， 通過簡單的X-Y 尋址技術(shù)， 允許從整個排列， 部分甚至單元來讀出數(shù)據(jù)， 從而提高尋址速度， 實現(xiàn)更快的信號傳輸。
　　3 噪聲比較
　　CCD 的特色在于從充分保持信號在傳輸是不失真（ 有專屬通道設(shè)計） 。透過每一個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。相對地， CM OS 的設(shè)計中每個像素旁就直接連著ADC （ 放大兼模擬/數(shù)字信號轉(zhuǎn)換器） ， 沒有專署通道設(shè)計。因此必須先放大再整合各個像素的資料。所以CM OS計算出的早點要比CCD 多， 這將會影響到圖像品質(zhì)。
　　4 成本比較
　　由于CM OS 傳感器采用半導(dǎo)體電路最常用的CMOS 工藝， 可以輕易的將。
　　周邊的電路（ 如AGC、DDS、時鐘、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)。其中有一個像素不能運行。將會導(dǎo)致一整排的數(shù)據(jù)不能傳送。控制CCD 傳感器的成品率會比CM OS 傳感器難的多。因此， CCD 傳感器的成本要高于CM OS.
　　因此總的說CCD 和CM OS 比較， 雖然CCD 傳感器和CM OS 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（CM OS）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。
　　CM OS 傳感器卻有集成度高、功耗小和造價低等優(yōu)點， 如果CM OS 圖像傳感器能克服以上缺點而保持原有的優(yōu)點， 就比CCD 傳感器的應(yīng)用更有優(yōu)勢。由于集成電路設(shè)計技術(shù)和工藝水平的提高，CM OS 圖像傳感器過去存在的缺點， 現(xiàn)在都可以找到辦法克服， 而且它固有的優(yōu)點更是CCD 器件所無法比擬的， 因而它再次成為研究的熱點。CCD 傳感器需要多個不同電壓來使它工作， 而CM OS傳感器只需單電壓工作， 這也是它相比CCD 傳感器另一個極大的優(yōu)點。CCD 傳感器需要在外部配接放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、時序電路等等， 造成體積龐大， 讀出速度受到限制。而CM OS 圖像傳感器卻相當(dāng)一個完整的圖像系統(tǒng)。一個典型的CM OS 圖像傳感器通常包含： 一個圖像傳感器核心， 這與CCD 圖像傳感器相似， 所有的時序邏輯電路、單一時鐘及芯片內(nèi)的可編程功能， 比如增益調(diào)節(jié)、積分時間、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格更低的優(yōu)點。
　　五、發(fā)展現(xiàn)狀
　　當(dāng)前，CM OS 圖像傳感器主要朝著高分辨率、高動態(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0.5m CM OS 工藝開發(fā)出2048×2048 陣列的CM OS 圖像傳感器的報道。當(dāng)采用0.25mCM OS 工藝時，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100% 。一種階躍的復(fù)位柵電壓技術(shù)能將APSCM OS 圖像傳感器的動態(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)局部像元對比度， 可使動態(tài)范圍達(dá)到120dB. 再考慮到CM OS圖像傳感器具有體積小、功耗低、高集度、新型USB 計算機(jī)接口及紅外接口技術(shù)這些突出的優(yōu)點， 相信一個嶄新的數(shù)字圖像技術(shù)時代即將來臨。