cmos图像传感器与ccd的比较.doc

摘要： 上世纪60年代末期，美国贝尔实验室提出固态成像器件概念，CMOS图像传感器全称互补金属氧化物半导体图像传感器（CMOS—Complementary Metal Oxide Semiconductor），CCD全称电荷耦合器件图像传感器（ CCD—Charge-couple Device）。二者的研究几乎是同时起步的，固体图像传感器得到了迅速发展。CMOS图像传感器由于受当时工艺水平的限制，图像质量差、分辨率低、噪声降不下来和光照灵敏度不够，因而没有得到重视和发展。CCD图像传感器因其光照灵敏度高、噪音低、像素少等优点，一直主宰着图像传感器市场。CMOS和CCD图像传感器都利用了硅的光电效应原理，不同点在于像素光生电荷的读出方式。CMOS和CCD的主要区别是CCD是集成在半导体单晶材料上，而CMOS是集成在被称做金属氧化物的半导体材料上。本文将详细介绍CMOS图像传感器与CCD至今的比较。 图1 1 CMOS和CCD图像传感器基本原理介绍 1.1 CMOS图像传感器工作原理介绍 图2所示为CMOS图像传感器工作原理框图。光子转换为电子后直接在每个像元中完成电子电荷F电压转换#这种信号转换与读出技术的不同对两种图像传感器的结构、性能及其性能的限制产生明显的影响，相机的大部分功能集成在图像传感器芯片上，这使传感器的功能应用弹性较小，但由于集成度高、结构紧密CMOS相机可应用于小尺寸摄像,可适应恶劣的环境$具有更高的可靠性. 图2 CMOS图像传感器工作原理框图 其特点有： 1）传感器内部芯片集成度高，而外围电路简单； 2）光子转换为电子后直接在每个像元中完成电子电荷-电压转换。 图3 CCD图像传感器工作原理框图 其特点有： 1）曝光后光子通过像元转换为电子电荷包； 2）电子电荷包顺序转移到共同的输出端； 3）通过输出放大器将大小不同的电荷包转换为电压信号。 2 CMOS图像传感器与CCD的特性比较 CMOS图像传感器与CCD相比具有功耗低、摄像系统尺寸小、可将信号处理电路与MOS图像传感器集成在一个芯片上等优点，但其图像质量（特别是低亮度环境下）与系统灵活性与CCD相比相对较低,由于具有上述特点，它适合大规模批量生产，适用于要求小尺寸、低价格、摄像质量无过高要求的应用，如保安用小型(微型相机、手机、计算机网络视频会议系统、无线手持式视频会议系统、条形码扫描器、传真机、玩具、生物显微计数、某些车用摄像系统等大量商用领域CMOS图像传感器相比，具较好的图像质量和灵活性，仍然保持高端的摄像技术应用，如天文观察、卫星成像、高分辨率数字照片、广播电视、高性能工业摄像、大部分科学与医学摄像等应用CCD器件的灵活性体现为与采用CMOS器件相比,用户可构建更多不同的摄像系统CMOS图像传感器相比，在价格方面，目前几乎相等。这主要是CCD具有成熟的技术与市场CMOS器件具有较高的技术与市场开发成本CMOS图像传感器的光电转换原理相同，均在硅集成电路工艺线上制作，工艺线的设备亦相似，但不同的制作工艺和不同的器件结构使二者在器件的能力与性能上具有相当大的差别。表1列出CMOS图像传感器的特点（从表中可见CCD与CMOS图像传感器各有特点）二者互为补充，不会出现谁消灭谁的结局。在可预见的未来将并存发展、共同繁荣图像传感器市场. 2.1灵敏度 灵敏度代表传感器的光敏单元收集光子产生电荷信号的能力CMOS图像传感器灵敏度较CCD图像传感器高30%~50%，这主要因为CCD像元耗尽区深度可达10mm，具有可见光及近红外光谱段的完全收集能力。CMOS图像传感器由于采用0.18~0.5mm标准CMOS工艺，由于采用低电阻率硅片须保持低工作电压，像元耗尽区深度只有1~2mm，其吸收截止波长小于650nm，导致像元对红光及近红外光吸收困难。 2.2 电子—电压转换率 电子—电压转换率表示每个信号电子转换为电压信号的大小。由于CMOS图像传感器在像元中采用高增益低功耗互补放大器结构，其电压转换率略优于CCD图像传感器。CCD图像传感器要达到同样的电压转换率需要付出进一步增大器件功耗的代价。CCD研制者正进一步研究新的读出放大器结构以提高响应率. 2.3 动态范围 动态范围表示器件的饱和信号电压与最低信号阈值电压的比值.在可比较的环境下，CCD动态范围约较CMOS高2倍。主要由于CCD芯片物理结构决定通过电荷耦合，电荷转移到共同的输出端几乎没有噪声，使得CCD器件噪声可控制在极低的水平CMOS器件由于其芯片结构决定它具有较多的片上放大器、寻址电路、寄生电容等，导致器件噪声相对较大，这些噪声即使通过采用外电路进行信号处理，芯片冷却，采用好的光学系统等手段，CMOS器件的噪声仍不能降到与CCD器件相当的水平。CC