CCD和COMS成像器件

1、CCD和COMS成像器件通信0922 沙伟 093110620【摘要】CCD与CMOS传感器是当今应用最广泛的视觉传感器。文章首先分析了CCD和CMOS传感器的主要原理，着重对比了CCD与CMOS传感器的性能，最后给出了两种传感器的应用领域及发展趋势。(一)引言在生活中，图像传感器被大量的应用，它正逐渐成为半导体产品中最耀眼的明星之一。图像传感器包括照射原图的光源，上面安装有多个传感器芯片的传感器板，以及直接连接于所述光源的引线端和所述传感器板的输入输出端的单 独的连接构，用来在集总结构中实现来自外部的输入和向外部的输出。 CCD(Charge Coupled Device电荷耦合器件)和CM

2、OS(COp1ementary Metal Oxide Semiconduct0r互补金属氧化物半导体)传感器是当前被普遍采用的两种图像传感器，两者都是利用感光二极管(photodiode)进行光电转换，将光像转换为电子数据。CCD于1969年研制成功，发展2O世纪八、九十年代，现在被广泛应用于广播电视领域。COMS传感器是上世纪8O年代为克服CCD生产工艺复杂、功耗较大、价格高、不能单片集成和有光晕、拖尾等不足之处而研制出的一种新型图像传感器，CMOS传感器已成为消费类数码相机、电脑摄像头、可视电话等多功能产品的理想之物，随着技术的发展已逐步应用于高端数码相机和电视领域 。(二)CCD传感器

3、的基本原理CCD全称为电荷耦合器件，是上世纪7年代以来逐步发展起来的半导体器件。它是在MOS集成电路技术基础上发展起来的，为半导体技术应用开拓了新的领域。它具有光电转换、信息存贮和传输等功能，具有集成度高、功耗小、结构简单、寿命长、性能稳定等优点，故在固体图像传感器、信息存贮和处理等方面得到了广泛的应用。CCD图像传感器能实现信息的获取、转换和视觉功能的扩展，能给出直观、真实、多层次的内容丰富的可视图像信息，被广泛应用于军事、天文、医疗、广播、电视、传真通信以及工业检测和 自动控制系统。实验室用的数码相机、光学多道分析器等仪器，都用CCD作图像探测元件。一个完整的 CCD器件由光敏单元、转移栅

4、、移位寄存器及一些辅助输入、输出电路组成。CCD工作时，在设定的积分时间内由光敏单元对光信号进行取样，将光的强弱转换为各光敏单元的电荷多少。取样结束后各光敏元电荷由转移栅转移到移位寄存器的相应单元中。移位寄存器在驱动时钟的作用下，将信号电荷顺次转移到输出端。将输出信号接到示波器、图象显示器或其它信号存储、处理设备中，就可对信号再现或进行存储处理。由于CCD光敏元可做得很小(约lOum)，所以它的图像分辨率很高。CCD的基本单元是MOS电容器，这种电容器能存贮电荷，其结构如图 1所示。以 P型硅为例，在P型硅衬底上通过氧化在表面形成Si0层，然后在Si上淀积一层金属为栅极，P型硅里的多数载流子是

5、带正电荷的空穴，少数载流子是带负电荷的电子，当金属电极上施加正电压时，其电场能够透过SiOz绝缘层对这些载流子进行排斥或吸引。于是带正电的空穴被排斥到远离电极处，剩下的带负电的少数载流子在紧靠SiOz层形成负电荷层(耗尽层)，电子一旦进入由于电场作用就不能复出，故又称为电子势阱。当器件受到光照时(光可从各电极的缝隙问经过Si0层射入，或经衬底的薄P型硅射入)，光子的能量被半导体吸收，产生电子一 空穴对，这时出现的电子被吸引存贮在势阱中，这些电子是可以传导的。光越强，势阱中收集的电子越多，光弱则反之，这样就把光的强弱变成电荷的数量，实现了光与的转换，而势阱中收集的电子处于存贮状态，即使停止光照一

6、定时间内也不会损失，这就实现了对光照的记忆 。图 1 用作少数载流子贮存单元的MOS剖面图由分析可知，上述结构实质上是个微小的MOS电容，用它构成象素，既可“感光”又可留下“潜影”，感光作用是靠光强产生的电子电荷积累，潜影是各个象素留在各个电容里的电荷不等而形成的，若能设法把各个电容里的电荷依次传送到输出端，再组成行和帧并经过“显影”就实现了图像的 传递 。(三)CMOS传感器的基本原理CMOS传感器实际上是一个较完整的图像系统，它将图像传感部分、信号读出电路和控制电路集成在一块芯片上，CMOS传感器的总体组成结构如图2所示，主要由感光阵列、水平(垂直)控制和时序电路、模拟信号读出处理电路、人

7、勺转换电路、数字信号处理电路和接口电路组成。感光阵列将光电产生的电流在水(垂直)控制和时序电路的作用下读出到模拟信号读出处理电路，经A D转换变成数字信号，再经数字信号处理、电路处理，最后通过接口电路读入计算机 。CMOS的典型工作流程如图 3所示。(四)CCD与CMOS传感器的性能对比CCD和CMOS图像传感器作为固体图像传感器领域的竞争对手，两者在性能表现上各有优劣。本文主要从一下六个方 面分析。1.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。CCD图像传感器灵敏度较CMOS图像传感器高3050。这主要因为CCD的感光信号以行为单位传输,电路占据像素的面积比较小，这样像素

8、点对光的感受就高些；而CMOS传感器的每个像素由多个晶体管与一个感光二极管构成(含放大器与A D转换电路)，使得每个像素的感光区域只占据像素本身很小的表面积，像素点对光的感受就低 。CCD像素单元耗尽区深度可达 lOnm，具有可见光及近红外光谱段的完全收集能力。CMOS图像传感器由于采用0.18 0.5mm标准CMOS工艺，且采用低电阻率硅片须保持低工作电压，像素单元耗尽区深度只有12nm，导致像素单元对红光及近红外光吸收困难 。2.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，CCD动态范围较CMOS高。主要由于CCD芯片物理结构决定通过电荷祸合，电荷转

9、移到共同的输出端的噪声较低，使得CCD器件噪声可控制在极低的水平。CMOS器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、芯片冷却等手段，CMOS器件的噪声仍不能降到与CCD器件相当的水平。CCD的低噪声特性是由其物理结构决定的。3.噪声：CCD的特色在于充分保持信号在传输时不失真(有专属通道设计)，透过每一个像素集合至单一放大器上做统一处理，可以保持资料的完整性；相对地，CMOS的设计中每个像素旁就直接连着ADC(放大兼模拟数字信号转换器)，信号直接放大并转换成数字信号。CMOS的制造工艺较简单，没有专属通道的

10、设计，因此必须先放大再整合各个像素的资料。所以CMOS计算出的噪点要LLCCD多，这将会影响到图像品质 。4 .功耗：CMOS传感器的图像采集方式为主动式，即感光二极管所产生的电荷会直接由晶体管放大输出；而CCD传感器为被动式采集，需外加电压让每个像素中的电荷移动，除了在电源管理电路设计上的难度更高之外，高驱动电压更使其功耗远高CMOS传感器。5 .响应速度：由于大部分相机电路可与CMOS图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由于采用顺序传输电荷，组成相机的电路芯片有38片，信

11、号读出速率不超过70iPixelss。CMOS 图像传感器的设计者将模数转换(ADC)作在每个像素单元中，使AMOS图像传感器信号读出速率可达lO00mPixelss 。6.响应均匀性：由于硅片工艺的微小变化、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。CMOS图像传感器由于每个像素单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，且随着像素单元尺寸进一步缩小，差异将进步扩大，使得在有光照和暗环境两种条件下CMOS图像传感器的响应均匀性较CCD有较大差距。另外，从成本上来说，由于CMOS传

12、感器采用半导体电路最常用的CMOS工艺，可以轻易地将周边电路(如AGC、CDS 、时钟、DSP等)集成到传感器芯片中，因此可以节省外围芯片的成本。从分辨率上来看，CCD可以做得更密，通常CCD传感器的分辨率会优CMOS传感器的水平。(五)COD与CMOS传感器的发展趋势不管是最新的手机还是大型天文望远镜，固态成像器件几乎能满足目前所有图像捕获的需求。像素变小能使现有的VGA和数百万像素传感器尺寸减小，但是具有数千万像素的大型静态传感器更容易制造。在最近几年中，基于CMOS技术的图像传感器已成为消费类产品的选用技术。在分辨率为VGA 到800万像素的成像器件中，它们比CCD传感器具有更高的成本和

13、性能优势 。不过，在800万像素以上的市场中，CCD仍占绝对优势，因为CCD的噪声更低，灵敏度更高 。CCD传感器在工业和医疗应用中也占据着统治地位，因为这些领域追求的是高帧速率，而不是高分辨率。芯片架构范围从数千像素的简单线性阵列到数百万像素阵列。CMOS传感器利CMOS技术的工艺扩展性能，以及图像处 理器和模数转换器 (ADC)等更强的集成逻辑功能，来实现一套完整的“片上相机”解决方案。由于CMOS传感器的像素尺寸已经减小到每边小于3um ，因此设计工程师可以在与上一代VGA传感器相同的芯片面积上，设计出更小的VGA分辨率传感器或具有数百万像素的传感器。CMOS传感器中的每个像素都有各自的

14、电荷到电压转换过程。传感器通常包含放大器、噪声校正和数字化电路，这样芯片输出的就是数字比特。这些额外的功能将增加设计的复杂性，并可能减少可用于光捕获的面积。由于每个像素都进行各自的转换，所以像素与像素之间的一致性比较差。但通过利用片上逻辑，可以构建一个仅需少量外围电路就能实现基本操作的芯片。CCD传感器的工艺不像CMOS那样灵活，大多数CCD传感器需要数量可观的外部支持电路。在不惜牺牲系统尺寸而追求图像质量(用量子效率和噪声来衡量)的照相、科学以及工业应用中，传统上由 CCD传感器提供性能基准。使用CMOS和CCD传感器的应用类型没有明显的分界线。当CMOS设计工程师花大力气提高图像质量时，C

15、CD设计工程师则将重点放在减少功耗和像素尺寸上，以便在低端产品市场中与CMOS器件一决高低。CMOS传感器的主要优势是成本低，因为它可以采用主流的CMOS制造工艺。高端成像应用领域主要采用1.400至8.100万以上像素的CCD成像器件。在500万到1.400万像素的应用中，CMOS和CCD成像器都可以选用，但更多的还是CMOS解决方案。低于500万像素的CCD成像器仍有一些，但随着CMOS成像器完全占领这部分市场，这种CCD成像器将变得越来越少。(六)结束语综上所述，CCD传感器在灵敏度、分辨率、噪声控制等方 面都优于CMOS传感器，而CMOS传感器则具有低成本、低功耗、以及高整合度的特点。不过，随着CCD与CMOS传感器技术的进步，两者的差异有逐渐缩小的态势，例如，CCD传感器一直在功耗上作改进，以应用于移动通信市场；CMOS传感器则在改善分辨率与灵敏度方面的不足，以应用于更