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CMOS與CCD圖像傳感器技術性能對比

發(fā)布時間:2012-12-06 責任編輯:hedyxing

導讀:市場上常用的圖像傳感器主要有兩種,分別是CMOS傳感器和CCD傳感器。這兩種傳感器孰優(yōu)孰劣,有何不同,本文將從技術的角度來做一分析對比。

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”(Charge Coupled Device)的簡稱,而CMOS是“互補金屬氧化物半導體”(Complementary Metal Oxide Semiconductor)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,人們利用這一技術制造了攝像機與數碼相機,將圖像處理行業(yè)推進到一個全新領域。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、攝像機及無膠片相機等設備。作為相機,與膠卷的原理相似,光學圖像(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據,而是將圖像數據不停留地送入一個A/D轉換器、信號處理器與存貯設備,但可重復拍攝和即時調整,其影像可無限次復制而不降低質量,也方便永久保存。

CMOS本來是計算機系統(tǒng)內的一種重要芯片,它可保存系統(tǒng)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、功耗和成像質量等方面都比當時的CCD差,因而未獲得發(fā)展。隨著CMOS工藝技術的發(fā)展,采用標準的CMOS工藝能生產高質量、低成本的CMOS成像器件。這種器件便于大規(guī)模生產、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動脈沖的控制下,一位一位地實施轉移后逐行順序讀取。

而CMOS光電成像器件的光學圖像信息經光電轉換后產生電流或電壓信號,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動,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作。如有些設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電容構成,讀取電荷信號時需使用電壓相當大(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,其外設電路也會消耗相當大的功率。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。

成像質量的對比

CCD成像器件制作技術起步早,技術成熟,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(Active Pixel)設計及噪聲補正線路加以降低。近年,隨著CMOS電路消噪技術的不斷進展,為生產高密度優(yōu)質的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,成像質量已不比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,否則為了維持相當水準的靈敏度,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 制造技術己開發(fā)出了4096×4096超高分辨率的CMOS圖像傳感器。
 

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