ccd与cs图像传感器的对比研究

ccd与cs图像传感器的对比研究

随着半主导技术和数码影像技术的快速发展，图像传感器在电影、通信、硬件和军事领域得到了广泛应用。目前的图像传感器在图像分辨率、信噪比等方面的性能已经可以和传统的银盐感光胶片相提并论。而其为图像采集、处理和传输带来的便利,则是传统的银盐感光胶片远远无法相比的。常用的图像传感器有CCD、CMOS两种。两者基本上都利用了硅的光电效应将光信号转换为电信号。但是两者在结构和制造工艺方面有很多不同之处,这使得两种图像传感器各有优势和劣势。在不同的应用中,应根据具体要求选用CCD或者CMOS。以数码相机、摄像机和照相手机为代表的数码产品由于具有功能多、体积小等诸多特点,越来越受到人们的青睐。而图像传感器是这些数码产品的核心器件,其性能、体积以及造价直接影响这些数码产品的性能和价格。所以图像传感器的研发和生产受到很多大公司的重视,越来越多性能优越的CCD、CMOS芯片被生产出来,同时这些芯片的价格也不断的下降,从而大大降低了数码产品的成本。本文首先回顾了CCD和CMOS的发展进程,介绍两种图像传感器的工作原理。之后结合数码产品的特点,比较CCD和CMOS两者各方面的优劣。最后展望图像传感器的发展前景。典型图像采集系统CCD(ChargedCoupledDevice)于1969年由美国贝尔实验室的W.S.Boyle和G.E.Smith发明。经过人们30多年的研究与开发,其性能不断增强。目前CCD已经成为光子探测及视频采集领域最重要的技术。目前很多国家都投入大量的资金和人力从事CCD传感器研究,其中日本、美国所生产的CCD传感器芯片无论在质量上还是在数量上都处于领先地位。美国生产的CCD传感器在高清晰度、特大靶面、低照度、超高动态范围、红外波段等方面占有绝对的优势。而在民用消费型光电产品方面,CCD的核心技术掌握在少数日商手中,根据In-Stat在2001年对全球图像传感器的研究报告中指出,CCD产业前7大厂商皆为日系厂商,占了全球98.5%的市场份额,其中光SONY一家的市场占有率就达到了45%。因此使用CCD的摄像机、数码照相机等器材的市场基本被日系厂商所包揽。国内CCD芯片以及镜头、处理芯片等技术则严重依赖国外企业供货。CCD芯片的主体是一个由很多光敏二极管组成的阵列。在曝光时,光敏二极管将照射在CCD上的光转化为电荷,这些电荷首先被存储在象素点对应的势阱中。之后在外加垂直移位信号的作用下,电荷一行一行的转移到串行移位寄存器上,再在外加水平移位信号的作用下顺次移出。之后电荷信号通过浮动扩散放大器转换为电压信号,再经过源跟踪放大器的放大最终输出。典型CCD图像采集系统如图1所示。目前使用的CCD共有3种,全帧(FullFrame,FF)、帧传输(FrameTransfer,FT)、线间传输(InterlineTransfer,IT)。FF-CCD整个传感器的都是感光区域,拥有最高的分辨率和象素密度,但曝光时易产生拖尾现象,反应速度以及输出帧速率也较低。FT-CCD一半是曝光区,一半是不透明储存区,连续的完成感光和电荷读出,因而其速度远远大于FF-CCD。和FF-CCD一样,FT-CCD曝光区的象素点也需要用来传递电荷,所以也会出现图像拖尾现象。而且由于FT-CCD只有一半的芯片面积用来感光,要做面积较大的FT-CCD芯片,成本会超过FF-CCD。IT-CCD的感光象素和用于传递电荷的象素隔行排列,从而消除了拖尾现象,但同时损失了填充率。同时由于残留电荷等问题,IT-CCD得到的图像质量往往比同级别的FF-CCD和FT-CCD要差很多。目前数码相机、PCCamera、摄录像机上用的CCD传感器,基本上都采用IT方式,大规模的生产使其价格相对更为低廉。如果要获得比较好的图像质量,应该考虑使用装备了机械快门的FF-CCD或者FT-CCD。如果对图像质量的要求一般,但需要更简单的结构以及更低的成本应该考虑使用IT-CCD。图像传感器的发展不同于CCD技术被日系厂商把持的局面,目前生产、研发CMOS图像传感器的厂商较多,其中美国有30多家,欧洲7家,日本约8家,韩国1家,中国台湾有8家。其中前5家为Agilent占51%、ST(VLSIVision)占16%、OmniVision占13%、现代占8%、Photobit约占5%,这五家合计市场占有率达93%。目前国内也有一些厂商投入到CMOS传感器的生产和研发中。另外值得注意的是,在CMOS主控DSP芯片方面,国内的中星微电子公司在这一领域的占有率超过了60%。在CCD发明之前,人们就开始研究MOS图像传感器了。由于CMOS图像传感器的固定图案噪声(fixed-patternnoise,FPN))问题,人们研发的重点都转移到CCD上。而CMOS图像传感器只被偶尔的研究过,且都是无源象素传感器(PassivePixelSensor,PPS)。直到上个世纪80年代末、90年代初,出于成本及性能的考虑,为了研制出低成本、小型化、低功耗的图像传感器,对MOS图像传感器的研究才又兴盛起来。1990年NASA旗下的JetPropulsionLaboratory研制出了有源像素传感器(ActivePixelSensor,APS)。APSCMOS的每个象素点都包含有若干个主动晶体管,这些晶体管可以对感应的信号进行放大和存储。这种传感器和CCD在动态范围和敏感度等方面性能相当,当视频速率较高时甚至超过CCD。同时CMOS还具有抗辐射性能好、低系统功耗(10mW～50mW)、低成本、单电源供电、可以对象素进行随机读取等特点。PPSCMOS每个象素只包含有一个光敏二极管(或者光电管)和一个控制选通的MOSFET,而APSCMOS则包含一个电荷——电压转换放大器。与CCD复杂的电荷转移过程不同,CMOS图像传感器感应得到的电荷一旦生成马上就可以直接输出。所以CMOS的输出帧速率和响应速度可以比CCD高很多。这种优势在大尺寸图像传感器上尤为明显,因为尺寸越大,CCD的感应电荷需要转移的距离越长,而尺寸对CMOS的信号输出速度则没什么影响。另外从图2的CMOS典型系统图可以看出来,CMOS芯片的集成度更高,需要的外围芯片更少,这样对控制整个系统的成本和体积都非常有利。cd图像传感器根据上节所述的CCD和CMOS的结构和工作原理可知两种图像传感器存在诸多差异,主要表现为以下几个方面:(1)分辨率:CMOS的每个象素都比CCD复杂,其象素尺寸很难达到CCD传感器的水平,因此相同尺寸的CCD传感器的分辨率通常会优于CMOS传感器。(2)噪声:CMOS每个感光二级体旁都搭配一个ADC放大器,每个放大器之间有细微的差异,很难达到放大同步的效果,同时CMOS传感器集成度高也比较复杂,各光电传感器件、电路之间距离很近,相互之间的光、电、磁干扰较严重,噪声较大。而CCD只有单个放大器,且采用PN结或二氧化硅(SiO2)隔离层隔离噪声。(3)响应速度:CCD传感器需在同步时钟的控制下以行为单位一位一位地输出信息,速度较慢。而CMOS传感器采集光信号的同时就可以取出电信号,还能同时处理各单元的图象信息,输出速度比CCD快很多,而且可以像存储器一样随机访问感兴趣的图像区域。(4)集成应用:CMOS采用半导体工业常用的MOS工艺,可以将周边电路(如A/D、CDS或DSP等)整合到单芯片中,而CCD必须依赖外部设备。CMOS的这一优点使它比CCD更易集成,成本也更低。(5)耗电量:CMOS采用主动方式撷取影像,感光二极管所产生的电荷会直接由旁边的晶体管放大输出。而CCD则为被动撷取,需外加电压让每个像素中的电荷移动。CMOS使用电源的耗电量非常小,仅为CCD电荷耦合器的1/8～1/10,CMOS传感器在节能方面具有很大优势。CCD图像传感器在分辨率和噪声方面有较大的优势,这使得CCD传感器的成像质量明显优于CMOS传感器。与CCD比较,CMOS图像传感器有功耗低、价格便宜的优势。数码相机、摄像机特别是高、中端产品对拍照效果、色彩画质、技术标准等要求十分严格,大部分厂商选用图像质量高的CCD图像传感器。对照相手机而言,拍照是附加功能,照相手机对色彩、画质和曝光时间要求较低,对功耗和价格要求较高,CMOS图像传感器是照相手机的首选。随着CCD与CMOS传感器技术的进步,两者的差异越来越小。目前,新型的CCD向着低功耗、低成本的方向发展,以期进入照相手机市场。而CMOS厂商则通过提高制造工艺,不断使CMOS图像传感器朝着高分辨率、高灵敏度、大动态范围、微型化、数字化和多功能化的方向发展,使得CMOS照相手机市场中更有竞争力,并逐步向高端数码产品迈进。图像传感器和产业从图像传感器的技术发展及其应用研究的趋势来看,图像传感器的体积小型化及高像素化是业界积极研发