CMOS與CCD圖像傳感器技術性能對比
發布時間:2012-12-06 責任編輯:hedyxing
固體圖像傳感器(也稱固體光電成像器件)有CCD與CMOS兩種。CCD是“電荷耦合器件”(Charge Coupled Device)的簡稱,而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deng人ren發fa明ming的de,從cong而er揭jie開kai了le電dian荷he傳chuan輸shu器qi件jian的de序xu幕mu。此ci後hou,人ren們men利li用yong這zhe一yi技ji術shu製zhi造zao了le攝she像xiang機ji與yu數shu碼ma相xiang機ji,將jiang圖tu像xiang處chu理li行xing業ye推tui進jin到dao一yi個ge全quan新xin領ling域yu。CCD是一種用於捕捉圖像的感光半導體芯片,廣泛運用於掃描儀、複印機、攝像機及無膠片相機等設備。作為相機,與膠卷的原理相似,光學圖像(即實際場景)穿過鏡頭投射到CCD上。但與膠卷不同的是CCD沒有“曝光”能力,也沒有能力記錄和存貯圖像數據,而是將圖像數據不停留地送入一個A/D轉換器、信號處理器與存貯設備,但可重複拍攝和即時調整,其影像可無限次複製而不降低質量,也方便永久保存。
CMOS本來是計算機係統內的一種重要芯片,它可保存係統引導所需的大量資料。在20世紀70年代初,有人發現,將CMOS引入半導體光敏二極管後也可作為一種感光傳感器,但在分辨率、噪聲、功耗和成像質量等方麵都比當時的CCD差,因而未獲得發展。隨著CMOS工藝技術的發展,采用標準的CMOS工藝能生產高質量、低成本的CMOS成像器件。這種器件便於大規模生產、其功耗低與成本低廉的特性都是商家們夢寐以求的。如今,CCD與CMOS兩者共存,CCD暫時還是“主流”,但CMOS將取代CCD而成為圖像傳感器的主流。
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鍾驅動脈衝的控製下,一位一位地實施轉移後逐行順序讀取。
而CMOS光電成像器件的光學圖像信息經光電轉換後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、四相時鍾驅動脈衝的控製下,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,它並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。由於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個畫麵的幀速。
電源及耗電量的對比
由於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衝信號,才能有效地傳輸電荷。因此CCD的取像係統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取像係統需消耗2~5W的功率。
而CMOS光電成像器件隻需使用一個單電源5V或3V,耗電量非常小,僅為CCD的1/8~1/10,有的CMOS取像係統隻消耗20~50mW的功率。
成像質量的對比
CCD成像器件製作技術起步早,技術成熟,采用PN結或二氧化矽(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、磁幹擾嚴重,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。後來,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,為生產高密度優質的CMOS成像器件提供了良好的條件。已有廠商聲稱,所開發出的技術,成像質量已不比CCD差。
CMOS成cheng像xiang器qi件jian的de靈ling敏min度du低di,是shi因yin為wei像xiang素su部bu分fen麵mian積ji被bei用yong來lai製zhi作zuo放fang大da器qi等deng線xian路lu。在zai固gu定ding的de芯xin片pian麵mian積ji上shang,除chu非fei采cai用yong更geng精jing細xi的de製zhi造zao工gong藝yi,否fou則ze為wei了le維wei持chi相xiang當dang水shui準zhun的de靈ling敏min度du,成cheng像xiang器qi件jian的de分fen辨bian率lv不bu能neng做zuo得de太tai高gao(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 製造技術己開發出了4096×4096超高分辨率的CMOS圖像傳感器。
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