CMOS較量CCD 圖像傳感器競(jìng)爭(zhēng)也“瘋狂”

時(shí)間：2012-08-05 08:14:15    第一對(duì)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(jiǎn)稱，CMOS是“互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體”(Complementary Metal Oxide Semiconductor)的簡(jiǎn)稱。CCD是1970年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的W·B·Boyle和G·E·Smith等人發(fā)明的，從而揭開(kāi)了圖像傳感器的序幕。據(jù)恒業(yè)國(guó)際控股集團(tuán)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(dǎo)體芯片，廣泛運(yùn)用于掃描儀、復(fù)印機(jī)、攝像機(jī)及無(wú)膠片相機(jī)等設(shè)備”，即光學(xué)圖像(實(shí)際場(chǎng)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(gè)A/D轉(zhuǎn)換器、信號(hào)處理器等器件。理論上說(shuō)其能無(wú)限次地完成光電圖像轉(zhuǎn)換，方便長(zhǎng)期使用，最終從攝像機(jī)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(shí)，有人發(fā)現(xiàn)CMOS引入半導(dǎo)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(dāng)時(shí)的CCD差，故未獲得實(shí)際的規(guī)模應(yīng)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(shí)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(kāi)始動(dòng)搖，恒業(yè)國(guó)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(shuí)會(huì)笑到最后？下面我們對(duì)其結(jié)構(gòu)、原理和優(yōu)劣勢(shì)進(jìn)行一一對(duì)比。

內(nèi)外部：結(jié)構(gòu)原理PK

無(wú)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(lái)的，其基本結(jié)構(gòu)是MOS(金屬—氧化物—半導(dǎo)體)電容結(jié)構(gòu)。它是在半導(dǎo)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(gè)偏置電壓(稱柵電壓)，就構(gòu)成了一個(gè)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(kuò)散的方法在其表面制作兩個(gè)高摻雜的N+型區(qū)作為電極，即場(chǎng)效應(yīng)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(chǎng)效應(yīng)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(guó)際劉勇解釋道：“在CMOS攝像器件中，電信號(hào)是從CMOS晶體管開(kāi)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(dòng)電路才能工作，它僅能輸出模擬電信號(hào)，這種信號(hào)要經(jīng)后續(xù)的地址譯碼器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器，圖像信號(hào)處理器等進(jìn)行處理，CCD本身集成度相對(duì)較低。如有CCD數(shù)碼相機(jī)常會(huì)有六個(gè)芯片組成，有的多達(dá)八片，最少也要三片，從而使相機(jī)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(hào)放大器、信號(hào)讀取電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、圖像信號(hào)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(dǎo)體廠家生產(chǎn)集成電路的流程即可。若構(gòu)成數(shù)碼相機(jī)，可將數(shù)碼相機(jī)的所有部件都集成到一塊芯片上，即“單芯片相機(jī)”。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(shí)間，而且還大大縮小了系統(tǒng)的體積和減低了復(fù)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(dǎo)體成像器件，CCD電荷耦合器存儲(chǔ)的電荷信息，需在同步信號(hào)控制下一位一位地實(shí)施轉(zhuǎn)移后讀取，電荷信息轉(zhuǎn)移和讀取輸出需要有時(shí)鐘控制電路和三組不同的電源相配合，整個(gè)電路較為復(fù)雜?！?

因而，CCD處理信息的速度相對(duì)較慢外，其耗電量也相對(duì)較大；

而CMOS光電傳感器在光電轉(zhuǎn)換后就可取出電信號(hào)，讀取比較簡(jiǎn)單，還能同時(shí)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(dá)到節(jié)能作用。

技術(shù)指標(biāo)：輸贏關(guān)鍵

評(píng)判一款產(chǎn)品性能好壞，總有幾個(gè)技術(shù)指標(biāo)。對(duì)于CCD和CMOS傳感器來(lái)說(shuō)，同樣也有幾個(gè)硬性指標(biāo)。引用天地偉業(yè)郭輝的觀點(diǎn)：“傳感器的主要技術(shù)指標(biāo)有像素、靶面尺寸、感光度、電子快門(mén)、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(duì)應(yīng)于景物的電子圖像。而在傳感器中，每一個(gè)感光單元對(duì)應(yīng)一個(gè)像素(Pixels)，像素越多，代表著它能夠感測(cè)到更多的物體細(xì)節(jié)，從而圖像就越清晰。像素越高，意味著成像效果越清晰；