主頁（http://www.by236.com）：固體圖像傳感器CMOS與CCD的比較(2) CMOS與CCD在制造工藝與設備上的對比 由于CCD成像器的信號需要一行一行地讀出，這樣，在離輸出放大器較遠的像素，電荷必須經過多次傳輸才能被讀出，因此在CCD成像器件的制作上，必須使每個像素都完美無缺(即完好無損)，否則某一列的信號便無法完整地讀出。此外，每次電荷的傳輸還必須非常干凈，即電荷傳輸效率要非常高，否則會因電荷的屯積而造成影像污點。因此，雖然CCD的材料是硅芯片，但必須要有特殊的制造工藝技術與設備，并且還要累積相當的制造經驗，才能確保高像素的正品率及高的電荷傳輸效率。所以CCD的生產極易由少數廠商所壟斷。 而CMOS成像器件的制作比較簡單、容易，因為它只需要使用一般的半導體制造工藝與設備，不必自備昂貴的半導體制造工藝設備。只需將CMOS線路設計好，請一些半導體廠代為加工即可。因此，CMOS成像器件在開發(fā)及制造成本上很具競爭力。 CMOS與CCD在技術性能上的對比 信息讀取方式的對比 CCD光電成像器件存貯的電荷信息，需要在二相或三相或四相時鐘驅動脈沖的控制下，一位一位地實施轉移后逐行順序讀取。 而CMOS光電成像器件的光學圖像信息經光電轉換后產生電流或電壓信號，這個電信號不需要像CCD那樣逐行讀取，而是從CMOS晶體管開關陣列中直接讀取的，可增加取像的靈活性。而CCD絕無此功能。 速度的對比 由上知，CCD成像器件需在二、三、四相時鐘驅動脈沖的控制下，以行為單位一位一位地輸出信息，所以速度較慢。 而CMOS成像器件在采集光電圖像信號的同時就可取出電信號，它并能同時處理各單元的圖像信息，所以速度比CCD成像器件快得多。由于CMOS成像器件的行、列電極可以被高速地驅動，再加上在同一芯片上做A/D轉換，圖像信號能快速地取出，因此它可在相當高的幀速下動作。如有些設計用來做機器視覺的CMOS，聲稱可以高達每秒1000個畫面的幀速。 電源及耗電量的對比 由于CCD的像素由MOS電容構成，讀取電荷信號時需使用電壓相當大(至少12V)的二相或三相或四相時序脈沖信號，才能有效地傳輸電荷。因此CCD的取像系統(tǒng)除了要有多個電源外，其外設電路也會消耗相當大的功率。有的CCD取像系統(tǒng)需消耗2?5W的功率。 而CMOS光電成像器件只需使用一個單電源5V或3V，耗電量非常小，僅為CCD的1/8?1/10，有的CMOS取像系統(tǒng)只消耗20?50mW的功率。 成像質量的對比 CCD成像器件制作技術起步早，技術成熟，采用PN結或二氧化硅(sio2)隔離層隔離噪聲，所以噪聲低，成像質量好。 與CCD相比，CMOS的主要缺點是噪聲高及靈敏度低，因為CMOS成像器件集成度高，各光電元件、電路之間距離很近，相互之間的光、電、磁干擾嚴重，噪聲對圖像質量影響很大，開始很長一段時間無法進入實用。后來，噪聲的問題用有源像素(Active Pixel)設計及噪聲補正線路加以降低。近年，隨著CMOS電路消噪技術的不斷進展，為生產高密度優(yōu)質的CMOS成像器件提供了良好的條件。已有廠商聲稱，所開發(fā)出的技術，成像質量已不比CCD差。 CMOS成像器件的靈敏度低，是因為像素部分面積被用來制作放大器等線路。在固定的芯片面積上，除非采用更精細的制造工藝，否則為了維持相當水準的靈敏度，成像器件的分辨率不能做得太高(反過來說，固定分辯率的傳感器，芯片尺寸無法做得太小)。但目前，利用0.18μm 制造技術己開發(fā)出了4096×4096超高分辨率的CMOS圖像傳感器。 CMOS與CCD在應用上的對比 CCD的發(fā)展已有32年的歷史，可以說是相當成熟的產品。目前技術的發(fā)展主要在于如何縮小傳感器的面積、降低生產成本及提高商用性能。CCD的主流應用正逐漸從仿真攝像機、安全監(jiān)控攝像機等演進到數字多媒體應用，如數字攝像機(Digital Video Camcorder)、數字相機DSC(Digital Still Camera)等。由于便攜式數字相機要求輕、薄、短小，百萬像素級的CCD已做到1/3″，而中、低分辯率的CCD已發(fā)展到1/4″或1/5″，今后朝1/8″甚至于1/10″發(fā)展。仿真式攝錄像機的CCD為配合PAL/NTSC電視制式，像素長寬比亦為4∶3和采用隔行讀取信號的方式。而專用的數字相機則強調方正像素(可減少信號處理所需的時間)及逐行掃描(可提升取像的速度)。 由于CCD有好的影像品質、高靈敏度與高分辨率，因此目前在高、中檔的影像應用主要是CCD，而對于一些新興產品，如PC相機、移動電話等，用CCD則無法滿足在電源消耗、體積等方面條件的要求。 CMOS成像器件目前主要集中于CIF與VGA等級產品。CIF等級的CMOS成像器件已由1/3″、1/4″轉至1/4″至1/5″，甚至1/7″。目前1/7″的CIF等級的CMOS成像器件的耗電量已降至30mw以下，因此多應用于手機等便攜式產品上。VGA等級的CMOS成像器件已由過去的1/3″至1/4″，轉至1/4″至1/5″。這一等級的CMOS成像器件的耗電量由過去的300mw降至100mw左右，它主要應用于PC相機，其次在DSC、PHS及TOY也有應用。 由于CMOS成像器件的體積小、耗電低，也用于保安隱蔽式監(jiān)控攝像以及作交互式玩具的“眼睛”。此外，還可開辟醫(yī)療市場應用，如CMOS用后即丟式攝像機(像藥丸大小)，讓患者吞下，它就會經過胃、小腸及大腸，隨糞便排出體外。當攝像機穿越體內時，它會自己發(fā)光照明，每秒鐘拍攝兩張像片，并以無線電波傳到病人皮帶上掛著的記錄器內。醫(yī)生再把數據化的影像傳送到計算機上。攝像機電池可使用8個小時，足以拍攝整個的小腸(因小腸的檢查一直是“盲點”)。顯然，這是CCD做不到的。 CMOS成像器件在VGA等級以上的分辨率表現(xiàn)，一直不如CCD來得優(yōu)異，因為高像素的CMOS成像器件必須要降低噪聲與提高靈敏度才能面對CCD的競爭。但CMOS成像器還可利用它的優(yōu)勢，即結合感光與影像處理以及辨識功能，使它成為一種高附加價值的智能型影像傳感器，而應用在一些較特殊的用途上，如機器視覺、人體面貌與指紋識別、動態(tài)檢測等。 結語 根據以上所述，將固體光電成像器件CMOS與CCD的比較歸納如表1所示。 由1表看出，CMOS圖像傳感器與CCD相比有很多突出的特點，如體積小、功耗低、成本低、能單芯片集成系統(tǒng)、能隨機存取、無損讀取、抗光暈圖像無拖尾、高幀速、高動態(tài)范圍等。因此，CMOS圖像傳感器有著不可抗拒的廣闊的市場誘惑力和良好的發(fā)展前景。
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