数码相机CMOS与CCD技术性能对比　

　数码相机CMOS与CCD技术性能对比　 图像传感器CMOS与CCD技术性能对比 2011-06-20 CBSi中国?PChome.net 类型: 转载 来源: CBSi中国?PChome 作 者: 陆里进 责编: 陆里进 [评论3条] 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将两者作比较。 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。 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。 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(Active Pixel)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。 图像传感器是组成数字摄像头的重要组成部分，根据元件不同分为CCD(Charge Coupled Device，电荷耦合元件)和CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor，金属氧化 物半导体元件)。 CCD是应用在摄影摄像方面的高端技术元件，CMOS则应用于较低影像品质的产品中，它的优点是制造成本较CCD更低，功耗也低得多，这也是市场很多采用USB接口的产品无须外接电源且价格便宜的原因。尽管在技术上有较大的不同，但CCD和CMOS两者性能差距不是很大，只是CMOS摄像头对光源的要求要高一些，但现在该问题已经基本得到解决。目前CCD元件的尺寸多为1/3英寸或者1/4英寸，在相同的分辨率下，宜选择 元件尺寸较大的为好。 图像传感器属于光电产业里的光电元件类，随着数码技术、半导体制造技术以及网络的迅速发展，目前市场和业界都面临着跨越各平台的视讯、影音、通讯大整合时代的到来，勾划着未来人类的日常生活的美景。以其在日常生活中的应用，无疑要属数码相机产品，其发展速度可以用日新月异来形容。短短的几年，数码相机就由几十万像素，发展到,,,、,,,万像素甚至更高。不仅在发达的欧美国家，数码相机已经占有很大的市场，就是在发展中的中国，数码相机的市场也在以惊人的速度在增长，因此，其关键零部件——图像传感器产品就成为当前以及未来业界关注的对象，吸引着众多厂商投入。以产品类别区分，图像传感器产品主要分为,,,、,,,,以及,，,传感器三种。本文将 主要简介,,,以及,,,,传感器的技术和产业发展现状。 一、,,,图像传感器 ,,,(Charged Coupled Device)于,,,,年在贝尔试验室研制成功，之后由日商等公司开始量产，其发展历程已经将近,,多年，从初期的,,多万像素已经发展至目前主流应用的,,,万像素。,,,又可分为线型(Linear)与面型(Area)两种，其中线型应用于影像扫瞄器及传真机上，而面型主要应用于数码相机(DSC)、摄录影机、监视摄 影机等多项影像输入产品上。 一般认为，,,,传感器有以下优点: 1. 高解析度(High Resolution):像点的大小为μm级，可感测及识别精细物体，提高影像品质。从早期1寸、1/2寸、2/3寸、1/4寸到最近推出的1/9寸，像素数目从初期的 10多万增加到现在的400,500万像素; 2. 低杂讯(Low Noise)高敏感度:,,,具有很低的读出杂讯和暗电流杂讯，因此提高了信噪比(SNR)，同时又具高敏感度，很低光度的入射光也能侦测到，其讯号不会 被掩盖，使,,,的应用较不受天候拘束; 3. 动态范围广(High Dynamic Range):同时侦测及分办强光和弱光，提高系统环境 的使用范围，不因亮度差异大而造成信号反差现象。 4. 良好的线性特性曲线(Linearity):入射光源强度和输出讯号大小成良好的正比关 系，物体资讯不致损失，降低信号补偿处理成本; 高光子转换效率(High Quantum Efficiency ):很微弱的入射光照射都能被记录下 来，若配合影像增强管及投光器，即使在暗夜远处的景物仍然还可以侦测得到; 5. 大面积感光(Large Field of View):利用半导体技术已可制造大面积的,,,D 晶片，目前与传统底片尺寸相当的35mm的,,,已经开始应用在数码相机中，成为取代 专业有利光学相机的关键元件; 光谱响应广(Broad Spectral Response):能很宽波长范围的光，增加系统使用弹 性，扩大系统应用领域; 6. 低影像失真(Low Image Distortion):使用CCD感测器，其影像处理不会有失真 的情形，使原物体资讯忠实地反应出来; 7. 体积小、重量轻:CCD具备体积小且重量轻的特性，因此，可容易地装置在人造 卫星及各式导航系统上; 8. 低秏电力，不受强电磁场影响; 9. 电荷传输效率佳:该效率系数影响信噪比、解像率，若电荷传输效率不佳，影像 将变较模糊; 10. 可大批量生产，品质稳定，坚固，不易老化，使用方便及保养容易。 根据In-Stat在,,,,时对全球图像传感器的研究中指出，,,,产业前七大厂商皆为日系厂商，占了全球,,.,,的市场份额，在技术发展方面，目前较有特色的主要 厂商应为索尼、飞利普和柯达公司。 飞利普公司在,,,产品方面的优势为，具有业界最大尺寸的,,,传感器，在数码相机的应用中，其,,mm尺寸的,,,已经应用在“Contax”的数码相机中，成为专业数码相机的代言人。其次该公司还具有独特的“Frame-Transfer CCD”(面扫描)技术，该产品在 应用中，可实现每秒,,-,,幅的速率。这是真正视频信号的速度。 柯达的,,,采用了广受好评的，,, ,,,(氧化铟锡)技术，而不是传统的聚硅化合物。其特点是敏锐度更高，透光性比一般,,,提高了,,,，对于一般,,,感应较弱的蓝光以及抗杂讯干扰方面有突破性的改善，其对蓝光感应能力提高了,.,倍，同时大幅降低了杂讯干扰，使影像更强锐利、色彩更加准确，为专业数码摄影提供了高解析 度、锐利度的影像。 传统,,,使用的是矩形的感光单元，而富士公司,年前研制的“,,,,,,,,(超级蜂窝结构)使用的是八边形的感光单元，使用了蜂巢的八边形结构，因此其感光单元面积要高于传统,,,。这样会获得三个好处，一是可以提高,,,的感光度、二是提高动态范围、三是提高了信噪比。这三个优点加上,,,,,,,,更高的生成像素成为 富士公司在数码相机产品上的最大卖点。