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文章来源: 光学人生       发布时间:2018-12-08

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目前,市场上应用的固体图像传感器主要有CCD与CMOS两种。本文从技术性能的角度、器件的内外部结构、原理、应用、生产制造的工艺与设备等方面将两者作比较,从目前看,两者各有优劣;从发展看,CMOS图像传感器将取代CCD而获得比CCD更为广泛的应用。


固体图像传感器CMOS与CCD比较


固体图像传感器(也称固体光电成像器件)有CCD与CMOS两种。CCD是“电荷耦合器件”(Charge Coupled Device)的简称,而CMOS是“互补金属氧化物半导体”(Complementary Metal Oxide Semiconductor)的简称。CCD是1970年美国贝尔实验室的W·B·Boyle和G·E·Smith等人发明的,从而揭开了电荷传输器件的序幕。此后,人们利用这一技术制造了摄像机与数码相机,将图像处理行业推进到一个全新领域。CCD是一种用于捕捉图像的感光半导体芯片,广泛运用于扫描仪、复印机、摄像机及无胶片相机等设备。作为相机,与胶卷的原理相似,光学图像(即实际场景)穿过镜头投射到CCD上。但与胶卷不同的是CCD没有“曝光”能力,也没有能力记录和存贮图像数据,而是将图像数据不停留地送入一个A/D转换器、信号处理器与存贮设备,但可重复拍摄和即时调整,其影像可无限次复制而不降低质量,也方便永久保存。


CMOS本来是计算机系统内的一种重要芯片,它可保存系统引导所需的大量资料。在20世纪70年代初,有人发现,将CMOS引入半导体光敏二极管后也可作为一种感光传感器,但在分辨率、噪声、功耗和成像质量等方面都比当时的CCD差,因而未获得发展。随着CMOS工艺技术的发展,采用标准的CMOS工艺能生产高质量、低成本的CMOS成像器件。这种器件便于大规模生产、其功耗低与成本低廉的特性都是商家们梦寐以求的。如今,CCD与CMOS两者共存,CCD暂时还是“主流”,但CMOS将取代CCD而成为图像传感器的主流。下面从技术性能、器件的内外部结构、原理、应用、生产制造的工艺与设备等方面将两者作一比较,最后归纳一比较表,并展望其发展前景。


基本结构及工作原理对比


CCD是在MOS晶体管的基础上发展起来的,其基本结构是MOS(金属—氧化物—半导体)电容结构。它是在半导体P型硅(si)作衬底的表面上用氧化的办法生成一层厚度约1000??1500?的SiO2,再在SiO2表面蒸镀一层金属(如铝),在衬底和金属电极间加上一个偏置电压(称栅电压),就构成了一个MOS电容器。所以,CCD是由一行行紧密排列在硅衬底上的MOS电容器阵列构成的。


目前的CCD器件均采用光敏二极管代替过去的MOS电容器,即在P型Si衬底上扩散一个N+区域以形成P-N结二极管。通过多晶硅相对二极管反向偏置,于是在二极管中产生一个定向电荷区(称之为耗尽区)。在定向电荷区中,光生电子与空穴分离,光生电子被收集在空间电荷区中。空间电荷区对带负电的电子而言、是一个势能特别低的区域,因此通常又称之为势阱。投射光产生的光生电荷就储存在这个势阱之中,势阱能够储存的最大电荷量又称之为势阱容量,势阱容量与所加栅压近似成正比。光敏二极管和MOS电容器相比,光敏二极管具有灵敏度高,光谱响应宽,蓝光响应好,暗电流小等特点。如果将一系列的MOS电容器或光敏二极管排列起来,并以两相、三相或四相工作方式把相应的电极并联在一起,并在每组电极上加上一定时序的驱动脉冲,这样就具备了CCD的基本功能。


一般,最基本的CMOS图像传感器是以一块杂质浓度较低的P型硅片作衬底,用扩散的方法在其表面制作两个高掺杂的N+型区作为电极,即场效应管的源极和漏极,再在硅的表面用高温氧化的方法覆盖一层二氧化硅(SiO2)的绝缘层,并在源极和漏极之间的绝缘层的上方蒸镀一层金属铝,作为场效应管的栅极。最后,在金属铝的上方放置一光电二极管,这就构成了最基本的CMOS图像传感器。


为使CMOS图像传感器工作,必须在P型硅衬底和源极接电源负极,漏极接电源正极。当无图像光信号照射到光敏二极管上时,源极和漏极之间无电流通过,因此无信号输出;当有图像光信号照射到光敏二极管上时,光敏元件的价带电子获得能量激发跃迁到导带而形成图像光电子,因而在源极和漏极之间形成电流通路而输出图像电信号。入射图像光信号越强,在光敏材料中激发的导电粒子(电子与空穴)越多,从而使源、漏极之间的电流越大,因而输出信号越大。所以,输出信号的大小直接反映了入射光信号的强弱。


在CMOS摄像器件中,电信号是从CMOS晶体管开关阵列中直接读取的,而不需要象CCD那样逐行读取。


由上基本结构与原理可知,从成像器件本身的内外部结构看,两者是不同的。


内部结构对比


面阵CCD的成像点为X—Y纵横矩阵排列,而每个成像点由一个光电二极管和其转移控制的一个邻近电荷存贮区(暂存区)组成。由于排列和组成方式不同,面阵CCD有帧转移型、行间转移型、帧行间转移型、线转移型与虚向型等。当光电二极管将光学图像转换为电荷图像(电荷数量与光强度成正比)贮存于势阱中时,通过转移控制很快转移到缓存区和电荷传输方向的移位寄存器中,然后通过二或三或四相时钟驱动脉冲向输出端一位位转移,经输出电路电荷/电压转换和放大器输出视频信号。这种构造产生的图像具有低噪声、高性能的特点,但需要二或三或四相时钟驱动、栅偏压、转移控制及复位脉冲等,因此整个构造复杂,增大了耗电量,也增加了成本。


而CMOS成像器的构造如同一个存贮器,它将数字逻辑电路、时钟及A/D转换等在同一加工程序中集成在一起。每个成像点包含一个光电二极管,一个电荷/电压转换、一个重新设置和选择管与一个放大器。整个成像器上复盖计时应用和读取信号的金属互连器以及纵向排列的输出信号互连器,信号读取通过简单的X-Y寻址技术直接从开关放大阵列中直接读出,比CCD快和方便。


从成像器在产品应用上的外部结构对比


CCD成像器需有外围驱动电路才能工作,它仅能输出模拟电信号,这种信号要经后续的地址译码器、模数转换器,图像信号处理器处理,集成度非常低。如由面阵CCD构成的数码相机通常有六个芯片,有的多达八片,最少也要三片,从而使体积不能减小,制作成本较高。


而CMOS成像器不需要外围驱动电路,它是将光电二极管、图像信号放大器、信号读取电路、模数转换器、图像信号处理器及控制器等集成到一块芯片上,而且制造加工只需采用半导体厂家生产集成电路的流程即可。若构成数码相机,可将数码相机的所有部件都集成到这一块芯片上,即“单芯片相机”。因此,采用CMOS芯片的光电图像转换系统,不但能降低系统的整体成本与组装所需的时间,而且还大大缩小系统的体积和复杂度。

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CMOS与CCD在制造工艺与设备上的对比


由于CCD成像器的信号需要一行一行地读出,这样,在离输出放大器较远的像素,电荷必须经过多次传输才能被读出,因此在CCD成像器件的制作上,必须使每个像素都完美无缺(即完好无损),否则某一列的信号便无法完整地读出。此外,每次电荷的传输还必须非常干净,即电荷传输效率要非常高,否则会因电荷的屯积而造成影像污点。因此,虽然CCD的材料是硅芯片,但必须要有特殊的制造工艺技术与设备,并且还要累积相当的制造经验,才能确保高像素的正品率及高的电荷传输效率。所以CCD的生产极易由少数厂商所垄断。


而CMOS成像器件的制作比较简单、容易,因为它只需要使用一般的半导体制造工艺与设备,不必自备昂贵的半导体制造工艺设备。只需将CMOS线路设计好,请一些半导体厂代为加工即可。因此,CMOS成像器件在开发及制造成本上很具竞争力。


CMOS与CCD在技术性能上的对比


信息读取方式的对比


CCD光电成像器件存贮的电荷信息,需要在二相或三相或四相时钟驱动脉冲的控制下,一位一位地实施转移后逐行顺序读取。


而CMOS光电成像器件的光学图像信息经光电转换后产生电流或电压信号,这个电信号不需要像CCD那样逐行读取,而是从CMOS晶体管开关阵列中直接读取的,可增加取像的灵活性。而CCD绝无此功能。

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速度的对比


由上知,CCD成像器件需在二、三、四相时钟驱动脉冲的控制下,以行为单位一位一位地输出信息,所以速度较慢。


而CMOS成像器件在采集光电图像信号的同时就可取出电信号,它并能同时处理各单元的图像信息,所以速度比CCD成像器件快得多。由于CMOS成像器件的行、列电极可以被高速地驱动,再加上在同一芯片上做A/D转换,图像信号能快速地取出,因此它可在相当高的帧速下动作。如有些设计用来做机器视觉的CMOS,声称可以高达每秒1000个画面的帧速。


电源及耗电量的对比


由于CCD的像素由MOS电容构成,读取电荷信号时需使用电压相当大(至少12V)的二相或三相或四相时序脉冲信号,才能有效地传输电荷。因此CCD的取像系统除了要有多个电源外,其外设电路也会消耗相当大的功率。有的CCD取像系统需消耗2?5W的功率。


而CMOS光电成像器件只需使用一个单电源5V或3V,耗电量非常小,仅为CCD的1/8?1/10,有的CMOS取像系统只消耗20?50mW的功率。


成像质量的对比


CCD成像器件制作技术起步早,技术成熟,采用PN结或二氧化硅(sio2)隔离层隔离噪声,所以噪声低,成像质量好。


与CCD相比,CMOS的主要缺点是噪声高及灵敏度低,因为CMOS成像器件集成度高,各光电元件、电路之间距离很近,相互之间的光、电、磁干扰严重,噪声对图像质量影响很大,开始很长一段时间无法进入实用。后来,噪声的问题用有源像素(ActivePixel)设计及噪声补正线路加以降低。近年,随着CMOS电路消噪技术的不断进展,为生产高密度优质的CMOS成像器件提供了良好的条件。已有厂商声称,所开发出的技术,成像质量已不比CCD差。


CMOS成像器件的灵敏度低,是因为像素部分面积被用来制作放大器等线路。在固定的芯片面积上,除非采用更精细的制造工艺,否则为了维持相当水准的灵敏度,成像器件的分辨率不能做得太高(反过来说,固定分辩率的传感器,芯片尺寸无法做得太小)。但目前,利用0.18μm制造技术己开发出了4096×4096超高分辨率的CMOS图像传感器。


CMOS与CCD在应用上的对比

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CCD的发展已有32年的历史,可以说是相当成熟的产品。目前技术的发展主要在于如何缩小传感器的面积、降低生产成本及提高商用性能。CCD的主流应用正逐渐从仿真摄像机、安全监控摄像机等演进到数字多媒体应用,如数字摄像机(Digital Video Camcorder)、数字相机DSC(Digital Still Camera)等。由于便携式数字相机要求轻、薄、短小,百万像素级的CCD已做到1/3″,而中、低分辩率的CCD已发展到1/4″或1/5″,今后朝1/8″甚至于1/10″发展。仿真式摄录像机的CCD为配合PAL/NTSC电视制式,像素长宽比亦为4∶3和采用隔行读取信号的方式。而专用的数字相机则强调方正像素(可减少信号处理所需的时间)及逐行扫描(可提升取像的速度)。


由于CCD有好的影像品质、高灵敏度与高分辨率,因此目前在高、中档的影像应用主要是CCD,而对于一些新兴产品,如PC相机、移动电话等,用CCD则无法满足在电源消耗、体积等方面条件的要求。


CMOS成像器件目前主要集中于CIF与VGA等级产品。CIF等级的CMOS成像器件已由1/3″、1/4″转至1/4″至1/5″,甚至1/7″。目前1/7″的CIF等级的CMOS成像器件的耗电量已降至30mw以下,因此多应用于手机等便携式产品上。VGA等级的CMOS成像器件已由过去的1/3″至1/4″,转至1/4″至1/5″。这一等级的CMOS成像器件的耗电量由过去的300mw降至100mw左右,它主要应用于PC相机,其次在DSC、PHS及TOY也有应用。


由于CMOS成像器件的体积小、耗电低,也用于保安隐蔽式监控摄像以及作交互式玩具的“眼睛”。此外,还可开辟医疗市场应用,如CMOS用后即丢式摄像机(像药丸大小),让患者吞下,它就会经过胃、小肠及大肠,随粪便排出体外。当摄像机穿越体内时,它会自己发光照明,每秒钟拍摄两张像片,并以无线电波传到病人皮带上挂着的记录器内。医生再把数据化的影像传送到计算机上。摄像机电池可使用8个小时,足以拍摄整个的小肠(因小肠的检查一直是“盲点”)。显然,这是CCD做不到的。


CMOS成像器件在VGA等级以上的分辨率表现,一直不如CCD来得优异,因为高像素的CMOS成像器件必须要降低噪声与提高灵敏度才能面对CCD的竞争。但CMOS成像器还可利用它的优势,即结合感光与影像处理以及辨识功能,使它成为一种高附加价值的智能型影像传感器,而应用在一些较特殊的用途上,如机器视觉、人体面貌与指纹识别、动态检测等。


结语


CMOS图像传感器与CCD相比有很多突出的特点,如体积小、功耗低、成本低、能单芯片集成系统、能随机存取、无损读取、抗光晕图像无拖尾、高帧速、高动态范围等。因此,CMOS图像传感器有着不可抗拒的广阔的市场诱惑力和良好的发展前景。


及配合便携式产品市场的发展,集成化、小体积、低成本、低耗电仍是今后发展的重点。VGA的等级,耗电量已往100mw以下发展;CIF等级往40mw以下;QCIF等级往25mw以下突破。在单一电源的低工作电压方面,目前已有厂商开发出2.8V。


另一发展方向是结合集成感光与影像处理以及辨识功能,使CMOS成为一种高附加价值的智能型影像传感器而应用在较特殊的用途上(如机器视觉、动态检测与自动辨识等)。


CMOS成像传感器要想在百万像素以上的数字相机与数字摄影机市场取代CCD,必须从降低噪声与提高灵敏度方面着手,在分辨率上要有所突破。


现在,CMOS图像传感器正朝着高分辨率、高动态范围、高灵敏度、高帧速、集成化、数字化、智能化的方向发展。现在,二种阶跃的复位栅电压技术能将CMOS中的有源像素传感器(APS)的动态范围提高到90dB以上,利用线性-对数输出模式,以及CMOS-DPS技术,还可使动态范围提高到120dB;而一般的CCD仅为66dB左右。种种迹像表明:图像传感器的领域正面临着一个重大转折,尽管从目前的状况看,CMOS与CCD图像传感器的应用市场仍然有一个分界,但这个界限似乎越来越模糊。随着300万像素以上的CMOS图像传感器的上市,图像传感器即将进入“CMOS时代”。而CMOS在制成高像素方面也有着一定的优势。


随着视频监控技术向智能化的发展,高清监控正是以一种高姿态、高要求进入我们的世界。目前,高清网络摄像机已成为一种必然趋势。许多厂家都争先恐后地推出自己的高清网络摄像机。虽然,目前广泛使用的感光元件仍是CCD,但CCD响应速度较低,不适用于高清监控摄像机采用的高分辨率逐行扫描方式,因此高清监控摄像机需普遍采用CMOS作为感光元件。而目前致力于CMOS研究的厂商已经研发出720P与1080P专用的CMOS器件,其宽动态、强光抑制、灵敏度等性能都得到很大程度改善。


由于CMOS图像传感具有体积小、功耗低、集成度高、动态范围宽、有USB计算机接口、能作成DPS、自动记时、随机存取、无损读取、抗光晕和耐辐射等特点,而有不可抗拒的广阔的市场诱惑力和比CCD更加广泛的应用发展前景。


本文来自:光学人生

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