CMOS图像传感器与CCD的比较

摘要：上世纪60年代末期，美国贝尔实验室提出固态成像器件概念，CMO我像传感器全称互补金属氧化物半导体图像传感器(CMOS-ComplementaryMetalOxideSemiconductor),CCD全称电荷耦合器件图像传感器(CCD—Charge-coupleDevice)。二者的研究几乎是同时起步的，固体图像传感器得到了迅速发展。CMOS0像传感器由于受当时工艺水平的限制，图TOC\o"1-5"\h\z像质量差、分辨率低、噪声降不下来和光照灵敏度不够，因而没有得到重视和发展。CCD图像传感器因其光照灵敏度高、噪音低、像素少等优点，一直主宰着图像传感器市场。CMOS和CCDS像传感器都利用了硅的光电效应原理，不同点在于像素光生电荷的读出方式。CMOS和CCM主要区别是CC比集成在半导体单晶材料上，而CMOS1集成在被称做金属氧化物的半导体材料上。本文将详细介绍CMOSB像传感器与CCD!今的比较。CMOS®CCDS像传感器基本原理介绍CMOS图像传感器工作原理介绍图2所示为CMO图像传感器工作原理框图。光子转换为电子后直接在每个像元中完成电子电荷F电压转换#这种信号转换与读出技术的不同对两种图像传感器的结构、性能及其性能的限制产生明显的影响，相机的大部分功能集成在图像传感器芯片上，这使传感器的功能应用弹性较小，但由于集成度高、结构紧密CMOSI机可应用于小尺寸摄像，可适应恶劣的环境$具有更高的可靠性.CMOSE!像传感器相机印刷电路板知Lkdw图锣ifc放大晶｛本振荡器图像帧获取模数转袂列多路传摊也CMOSE!像传感器相机印刷电路板知Lkdw图锣ifc放大晶｛本振荡器图像帧获取模数转袂列多路传摊也图2CMOS图像传感器工作原理框图其特点有：1）传感器内部芯片集成度高，而外围电路简单；2）光子转换为电子后直接在每个像元中完成电子电荷-电压转换相机印刷电路板电荷耦合器件图像传感器1相机印刷电路板电荷耦合器件图像传感器1图3CCD图像传感器工作原理框图其特点有：1）曝光后光子通过像元转换为电子电荷包；2）电子电荷包顺序转移到共同的输出端；3）通过输出放大器将大小不同的电荷包转换为电压信号。CMOSS像传感器与CCD勺特性比较CMO^ffi像传感器与CCD相比具有功耗低、摄像系统尺寸小、可将信号处理电路与MO胴像传感器集成在一个芯片上等优点，但其图像质量（特别是低亮度环境下）与系统灵活性与CCDffi比相又t较低，由于具有上述特点，它适合大规模批量生产，适用于要求小尺寸、低价格、摄像质量无过高要求的应用，如保安用小型（微型相机、手机、计算机网络视频会议系统、无线手持式视频会议系统、条形码扫描器、传真机、玩具、生物显微计数、某些车用摄像系统等大量商用领域CMOSS像传感器相比，具较好的图像质量和灵活性，仍然保持高端的摄像技术应用，如天文观察、卫星成像、高分辨率数字照片、广播电视、高性能工业摄像、大部分科学与医学摄像等应用CC邮件的灵活性体现为与采用CMO赛件相比，用户可构建更多不同的摄像系统CMO图像传感器相比，在价格方面，目前几乎相等。这主要是CCDM有成熟的技术与市场CMO㈱件具有较高的技术与市场开发成本CMO图像传感器的光电转换原理相同，均在硅集成电路工艺线上制作，工艺线的设备亦相似，但不同的制作工艺和不同的器件结构使二者在器件的能力与性能上具有相当大的差别。表1列出CMOS0像传感器的特点（从表中可见CCD与CMOSB像传感器各有特点）二者互为补充，不会出现谁消灭谁的结局。在可预见的未来将并存发展、共同繁荣图像传感器市场.宾1CCD与CMOS图像传感器的特点CCDCMOS像元尺寸最小单一内部电压供电噪声最低单一主控时钟暗电漆最恁低功耗灵敏度最高笈丫寻址可任意开子窗口全岫特移结构占空比近1的%系统尺寸最小具有自然的电子快门功能相机电路易于全集成（单芯片相机）成熟技术与市场相对低价灵敏度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CMOSS像传感器灵敏度较CCD图像传感器高30%〜50%这主要因为CCD象元耗尽区深度可达10mm具有可见光及近红外光谱段的完全收集能力。CMOSS像传感器由于采用0.18〜0.5mm标准CMOS：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。电子一电压转换率电子一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CMO®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。CCDS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。CCDiff制者正进一步研究新的读出放大器结构以提高响应率.动态范围动态范围表示器件的饱和信号电压与最低信号阈值电压的比值.在可比较的环境下，CCM态范围约较CMO或2倍。主要由于CCD芯片物理结构决定通过电荷耦合，电荷转移到共同的输出端几乎没有噪声，使得CCDS件噪声可控制在极低的水平CMOS1件由于其芯片结构决定它具有较多的片上放大器、寻址电路、寄生电容等，导致器件噪声相对较大，这些噪声即使通过采用外电路进行信号处理，芯片冷却，采用好的光学系统等手段，CMO湍件的噪声仍不能降到与CCD器件相当的水平。CCD勺低噪声特性是由其物理结构决定的.响应均匀性由于硅圆片工艺的微小变化，硅片及工艺加工引入缺陷，放大器变化等导致图像传感器光响应不均匀。响应均匀性包括有光照和无光照（暗环境）两种环境条件。CMOS8像传感器由于每个像元中均有开环放大器，器件加工工艺的微小变化导致放大器的偏置及增益产生可观的差异，且随着像元尺寸进一步缩小，差异将进一步扩大，使得在有光照和暗环境两种条件下CMO图像传感器的响应均匀性较CCDW较大差距。CMOSB像传感器研制者研究采用反馈放大器等技术改进有光照条件下的均匀性，使之逐渐接近CCD勺均匀性水平。尽管CMO陶像传感器研制者投入大量的努力降低暗环境下器件响应不均匀性，但CMO敢大器偏置变化导致的暗环境下器件响应均匀性仍较CCDt较大差距。这在高速摄像应用中由于信号弱，暗环境不均匀性将显著降低图像质量。暗电流,八、、・、、、「2一，标准CMOS!有较局白暗电流，暗电流餐'度为1mA/cm重级，经过工乙取佳化后可降低到100pA/cm2的CCD勺暗电流密度为2〜10pA/cm2电子快门快门代表了任意控制曝光开始和停止的能力CC的别是内线转移结构像感器具有优良的电子快门功能，器件可纵向从衬底排除多余电荷，电子快门功能几乎不受像元尺寸缩小的限制，不会挤占光敏区面积而降低器件占空比CMO却个像元中需要一定数量的晶体管来实现电子快门功能，增加电子快门功能将增加像元中的晶体管数量，感光区的面积，低器件的占空比，特别在像元尺寸进一步缩小时此矛盾更为突出CMO朦感器设计者采用在不同时间对不同行进行曝光的滚动快门方式解决此问题，这种方式减少了像元中的晶体管数，提高了占空比，但在高性能应用中运动目标会出现明显的图像变形，因此只适合某些商业应用，此外可采用较大尺寸的像元以兼顾图像高性能和具有与CCD类似的同时曝光的电子快门功能。速度由于大部分相机电路可与CMOSS像传感器在同一芯片上制作，信号及驱动传输距离缩短，电感，电容及寄生延迟降低，信号读出采用X—Y寻址方式，CMOS图像传感器工作速度优于CCD通常的CCD象感器由于采用顺序传输电荷，组成相机的电路芯片有3〜8片。信号读出速率不超过70Mpixes/s。CMO豫感器设计者采用将模数转换ADC个像元中，使CMOS象感器信号读出速率可达1000Mpixes/s。窗口CMO图像传感器由于信号读出采用X—Y寻址方式，有读出任意局部画面的能力，使它可以提高感兴趣的小区域的帧或行频，这种功能可用于在画面局部区域进行高速瞬时精确目标跟踪CCD图像传感器由于其顺序读出信号结构决定它在画面开窗口的能力受到限制。抗晕能力抗晕能力指将过度曝光产生的多余电荷排除像元。影响画面其他部分的能力，通常的CMOS像元结构决定它具有自然的抗晕能力CCDffl像传感器需要特殊的结构设计才能具有抗晕能力，大多数商用CCD匀具有抗晕能力，但高性能的科学级CCM于其多用于弱信号探测，通常未设计抗晕结构。偏置与功耗图像传感器通常在单一的较低外接信号偏置电压与时钟电平下工作，非标准电压偏置通过芯片内部转换解决，典型的CCD象感器需要几组较高的偏置电压才能工作，近期的CC湍件通过改进，具时钟工作电压降低到与CMO相近，但其输出放大器偏压仍较高，CMOSI像传感器在像元区功耗明显低于CCD图像传感器（浅色部分）CMO呼目机的其他电路部分可能比采用专门设计的CCD!动与信号处理ASIC电路功耗要高，从相机系统角度来说，通常情况CMOS!机与CCD®机相比功耗较低，但在高速应用情况下（时钟频率高于25MHz厂者功耗差别不明显。可靠性两种图像传感器在商用及工业应用领域具有等价的可靠性，在极端恶劣的应用环境中CCD由于图像传感器将大部分相机电路集成在一个芯片上焊点与接头大大减少，其可靠性优于CCDS像传感器，由于