CMOS較量CCD 圖像傳感器競爭也“瘋狂”

時間：2012-08-05 08:14:15    第一對焦：傳感器CMOS較量CCD

圖像傳感器包括CCD與CMOS兩種。其中，CCD是“電荷耦合器件”(Charge Coupled Device)的簡稱，CMOS是“互補金屬氧化物半導體”(Complementary Metal Oxide Semiconductor)的簡稱。CCD是1970年美國貝爾實驗室的W·B·Boyle和G·E·Smith等人發(fā)明的，從而揭開了圖像傳感器的序幕。據(jù)恒業(yè)國際控股集團生產(chǎn)中心經(jīng)理劉勇介紹：“CCD是一種用于捕捉圖像的感光半導體芯片，廣泛運用于掃描儀、復印機、攝像機及無膠片相機等設(shè)備”，即光學圖像(實際場景)經(jīng)鏡頭投射到CCD上，隨后將電子圖像不停留地送入一個A/D轉(zhuǎn)換器、信號處理器等器件。理論上說其能無限次地完成光電圖像轉(zhuǎn)換，方便長期使用，最終從攝像機輸出的圖像其圖質(zhì)很大程度上取決于CCD的品質(zhì)。

隨CCD迅猛發(fā)展之時，有人發(fā)現(xiàn)CMOS引入半導體光敏二極管后也可作為一種感光傳感器，但在分辨率、噪聲、成像質(zhì)量等方面都比當時的CCD差，故未獲得實際的規(guī)模應用。近年，隨著CMOS工藝技術(shù)的飛速發(fā)展，現(xiàn)在已能制造出高質(zhì)量、低成本的CMOS成像器件，且已可實際投入大規(guī)模生產(chǎn)，其高速率、高集成、低功耗及成本低廉等特性已影響著行業(yè)內(nèi)圖像傳感器選用走向。隨之，CCD一統(tǒng)江湖的地位開始動搖，恒業(yè)國際劉勇表示：“如今，CCD與CMOS已呈兩者共存的局面，模擬產(chǎn)品CCD是主流，但高清產(chǎn)品CMOS逐步成為圖像傳感器的主角?！本烤拐l會笑到最后？下面我們對其結(jié)構(gòu)、原理和優(yōu)劣勢進行一一對比。

內(nèi)外部：結(jié)構(gòu)原理PK

無論任何產(chǎn)品，品質(zhì)的好壞主要取決于性能的優(yōu)劣，而性能優(yōu)劣的關(guān)鍵跟產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和工作原理又有著較大的關(guān)系，CCD和CMOS也既如此。

基本組成

CCD是在MOS晶體管的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，其基本結(jié)構(gòu)是MOS(金屬—氧化物—半導體)電容結(jié)構(gòu)。它是在半導體P型硅(Si)作襯底的表面上用氧化的辦法生成一層厚度約1000~1500的SiO2，再在SiO2表面蒸鍍一層金屬(如鋁)，在襯底和金屬電極間加上一個偏置電壓(稱柵電壓)，就構(gòu)成了一個MOS電容器。所以，CCD是由一行行緊密排列在硅襯底上的MOS電容器陣列構(gòu)成的。

而最基本的CMOS圖像傳感器是以一塊雜質(zhì)濃度較低的P型硅片作襯底，用擴散的方法在其表面制作兩個高摻雜的N+型區(qū)作為電極，即場效應管的源極和漏極，再在硅的表面用高溫氧化的方法覆蓋一層二氧化硅(SiO2)的絕緣層，并在源極和漏極之間的絕緣層的上方蒸鍍一層金屬鋁，作為場效應管的柵極。最后，在金屬鋁的上方放置光電二極管，這就構(gòu)成了最基本的CMOS圖像傳感器。

恒業(yè)國際劉勇解釋道：“在CMOS攝像器件中，電信號是從CMOS晶體管開關(guān)陣列中直接讀取的，而不像CCD那樣需要逐行讀取?！?

內(nèi)部結(jié)構(gòu)

CCD成像器需有輔以較多的外圍驅(qū)動電路才能工作，它僅能輸出模擬電信號，這種信號要經(jīng)后續(xù)的地址譯碼器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器，圖像信號處理器等進行處理，CCD本身集成度相對較低。如有CCD數(shù)碼相機常會有六個芯片組成，有的多達八片，最少也要三片，從而使相機體積不能減小，制作成本也較高。

而CMOS成像器不需要附加的外圍處理電路，它是將光電二極管、圖像信號放大器、信號讀取電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、圖像信號處理器及控制器等都集成到一塊芯片上，且制造加工就如半導體廠家生產(chǎn)集成電路的流程即可。若構(gòu)成數(shù)碼相機，可將數(shù)碼相機的所有部件都集成到一塊芯片上，即“單芯片相機”。因此，采用CMOS芯片的光電圖像系統(tǒng)，不但能降低系統(tǒng)的整體成本與組裝所需的時間，而且還大大縮小了系統(tǒng)的體積和減低了復雜度。

工作原理

天津天地偉業(yè)數(shù)碼科技有限公司產(chǎn)品中心經(jīng)理郭輝介紹：“CCD是一種半導體成像器件，CCD電荷耦合器存儲的電荷信息，需在同步信號控制下一位一位地實施轉(zhuǎn)移后讀取，電荷信息轉(zhuǎn)移和讀取輸出需要有時鐘控制電路和三組不同的電源相配合，整個電路較為復雜。”

因而，CCD處理信息的速度相對較慢外，其耗電量也相對較大；

而CMOS光電傳感器在光電轉(zhuǎn)換后就可取出電信號，讀取比較簡單，還能同時處理各像素單元的圖像信息，

CMOS光電傳感器只需單組電源工作，耗電量小，能達到節(jié)能作用。

技術(shù)指標：輸贏關(guān)鍵

評判一款產(chǎn)品性能好壞，總有幾個技術(shù)指標。對于CCD和CMOS傳感器來說，同樣也有幾個硬性指標。引用天地偉業(yè)郭輝的觀點：“傳感器的主要技術(shù)指標有像素、靶面尺寸、感光度、電子快門、幀率、信噪比等?！?

·像素。傳感器上有許多感光單元，它們可以將光線轉(zhuǎn)換成電荷，從而形成對應于景物的電子圖像。而在傳感器中，每一個感光單元對應一個像素(Pixels)，像素越多，代表著它能夠感測到更多的物體細節(jié)，從而圖像就越清晰。像素越高，意味著成像效果越清晰；