CMOS與CCD圖像傳感器的比較研究和發(fā)展趨勢

王旭東，葉玉堂

（電子科技大學(xué)光電信息學(xué)院，四川成都610054）

自從上世紀(jì)60年代末期，美國貝爾實驗室提出固態(tài)成像器件概念后，固體圖像傳感器便得到了迅速發(fā)展，成為傳感技術(shù)中的一個重要分支，它是PC機多媒體不可缺少的外設(shè)，也是監(jiān)控中的核心器件。

互補金屬氧化物半導(dǎo)體CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）圖像傳感器與電荷耦合器件CCD（Charge Coupled Device）圖像傳感器的研究幾乎是同時起步，但由于受當(dāng)時工藝水平的限制，CMOS圖像傳感器圖像質(zhì)量差、分辨率低、噪聲降不下來和光照靈敏度不夠，因而沒有得到重視和發(fā)展。

而CCD器件因為有光照靈敏度高、噪音低等優(yōu)點，一直主宰著圖像傳感器市場。由于集成電路設(shè)計技術(shù)和工藝水平的提高，CMOS圖像傳感器過去存在的缺點，現(xiàn)在可以找到相關(guān)解決方法，而且其固有優(yōu)點是CCD器件所無法比擬的，因而CMOS圖像傳感器再次成為研究的熱點。這里針對CMOS與CCD圖像傳感器進行分析研究，并給出其發(fā)展趨勢。

1 CCD與CMOS的組成結(jié)構(gòu)比較

1.1 CCD與CMOS的組成結(jié)構(gòu)

在制造上，CCD和CMOS的主要區(qū)別主要是CCD是集成在半導(dǎo)體單晶材料上，而CMOS是集成在被稱為金屬氧化物的半導(dǎo)體材料上。其工作原理都是利用感光二極管（Photodiode）進行光電轉(zhuǎn)換，這種轉(zhuǎn)換的原理與太陽能電子計算機的太陽能電池效應(yīng)相近。光線越強，電力越強[1]。反之，光線越弱，電力也越弱。根據(jù)此原理將圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。而其主要差異是數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳送的方式不同[2]。簡易結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

比較CCD與CMOS的結(jié)構(gòu)，ADC（數(shù)模轉(zhuǎn)換器）位置和數(shù)量是最大的差異。CCD每曝光一次，在快門關(guān)閉后進行像素的轉(zhuǎn)移處理，將每一行中電荷信號依次轉(zhuǎn)入“緩沖器”中，由低端的線路引導(dǎo)輸出至CCD邊緣的放大器進行放大，再串聯(lián)ADC輸出。而CMOS的結(jié)構(gòu)中每個像素都直接連著ADC，點和信號直接放大并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。造成這種差異的原因在于CCD的特殊工藝可以保證數(shù)據(jù)在傳送時不會失真，以此各個像素的數(shù)據(jù)可以匯集到邊緣再進行放大處理。而CMOS工藝的數(shù)據(jù)在傳送距離較長時會產(chǎn)生噪聲。因此，必須先放大再整合各個像素的數(shù)據(jù)。

圖1 CCD和CMOS的組成結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of CCD and CMOS

1.2 CCD與CMOS的相關(guān)參數(shù)比較

表1給出CCD與CMOS圖像傳感器的性能比較，與CCD圖像傳感器相比，CMOS圖像傳感器具有明顯的優(yōu)勢。

表1 CCD與CMOS圖像傳感器的性能比較Tab.1 Comparison of CCD and CMOS image sensor performance

CMOS與CCD圖像傳感器在結(jié)構(gòu)、工作方式和制造工藝兼容程度上的差別,使得CMOS圖像傳感器具有CCD圖像傳感器所不具有的優(yōu)點[3]。

1）驅(qū)動電壓CCD陣列驅(qū)動脈沖復(fù)雜，電荷信息轉(zhuǎn)移和讀取輸出需要有時鐘驅(qū)動電路和3組不同的電源相配合，不能與大規(guī)模集成電路制造工藝技術(shù)相兼容，而CMOS經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后直接產(chǎn)生電流或電（電壓）信號，只需要單一的工作電源，信號讀取相對簡單。

2）圖像采集和處理速度CCD需要在同步時鐘的控制下，以行為單位依次輸出信息，不能隨機讀取，而這種隨機讀取對許多應(yīng)用是不可缺少的，且速度較慢。而CMOS圖像傳感器在采集光信號的同時就可以取出電信號，還能實時處理各單元的圖像信息，速度比圖像傳感器要快。

3）集成度CCD技術(shù)很難將光敏單元陣列，驅(qū)動電路及模擬數(shù)字信號處理電路在單片上集成，比如A/D轉(zhuǎn)換，精密放大，存儲等功能，均無法在單片上實現(xiàn)。而CMOS圖像傳感器可將光敏元件、圖像信號放大器、信號讀取電路、A／D轉(zhuǎn)換器、圖像信號處理器及控制器等集成到一塊芯片上，還具有對局部像素圖像的編程隨機訪問的優(yōu)點。

4）功耗與價格CCD圖像傳感器的功耗較大，約300 mW；而CMOS圖像傳感器的功耗較小，約50 mW，甚至更小，在節(jié)能方面具有很大的優(yōu)勢。CMOS的耗電量僅為CCD的1/8～1/10。而在價格方面由于CCD圖像傳感器工藝制程復(fù)雜,且集成度等較低。所以CMOS圖像傳感器更勝一籌。

5）噪點差異由于CMOS每個感光二極管旁都搭配一個ADC放大器,如果以百萬像素計,那么就需要百萬個以上的ADC放大器,雖然是統(tǒng)一制造下的產(chǎn)品,但是每個放大器都存在差異,很難達到放大同步的效果,對比單個放大器的CCD,CMOS最終計算出的噪點就比較多。

王祥只覺得五雷轟頂，自己隨手就弄丟了一生可能就這么一次的發(fā)財機會。但是到底是怎么回事，王祥還在云里霧里。

6）速度快差異CMOS速度快，可靠性高。由于大部分相機電路可與CMOS圖像傳感器在同一芯片上。信號及驅(qū)動傳輸距離短，電感、電容和寄生延遲降低。信號讀出采用X—Y尋址方式，因此，圖像傳感器的存取速度快，體積小，焊點和接頭較少，所以其可靠性高。

7）成像質(zhì)量CCD電荷耦合器制作技術(shù)起步早，技術(shù)成熟，采用PN結(jié)或二氧化硅（SiO2）隔離層隔離噪聲，成像質(zhì)量相對CMOS光電傳感器有一定優(yōu)勢。由于CMOS光電傳感器集成度高，各光電傳感元件、電路之間距離很近，相互之間的光、電、磁干擾較嚴(yán)重，噪聲對圖像質(zhì)量影響很大，使CMOS光電傳感器很長一段時間無法進入實用。近年，隨著CMOS電路消噪技術(shù)的不斷發(fā)展，為生產(chǎn)高密度優(yōu)質(zhì)的CMOS圖像傳感器提供了良好的條件。

2 CMOS的改進技術(shù)及存在問題的解決途徑

為了克服低靈敏度、高噪聲、暗電流，低填充度等這些CMOS傳感器上常見的問題，CMOS已經(jīng)做了很多技術(shù)研究和攻關(guān)[4-5]。

1）片上消除噪聲技術(shù)為了消除每個像素的漂移和噪聲，傳感器上包含一個特殊的電路，它只吸收噪聲信號而不處理光學(xué)信號，可以從光學(xué)信號中去除噪聲部分。這樣傳感器就能以很高的信噪比讀取信號。

2）全像素電荷轉(zhuǎn)移技術(shù)為了避免分子運動帶來的隨機噪聲，實現(xiàn)具有高信噪比的光學(xué)傳感器。由于每次讀取信號時，初始值都會變化，只依靠片上消除噪音技術(shù)無法完全解決這個問題。通過引入全像素電荷轉(zhuǎn)移技術(shù)，能夠維持光學(xué)信號和噪聲信號的一致初始值，讓消除隨機噪聲和實現(xiàn)高信噪比成為可能。

3）片上模擬處理技術(shù)為了消除噪聲并實現(xiàn)高速信號讀取性能，芯片上集成了PGA可編程增益放大器。這項革新有效地降低了噪聲，并加速了信號輸出（12 MHz）。

4）暗電流CMOS成像器件均具有較大的像素尺寸，因此，在正常范圍內(nèi)也會產(chǎn)生一定的暗電流。通過改進CMOS工藝，壓縮結(jié)面積可降低暗電流的發(fā)生率，也可通過提高幀速率（frame rate）來縮短暗電流的匯集時間，從而減弱暗電流的影響。

6）提高填充系數(shù)為了提高CMOS-APS的填充系數(shù)，近幾年國外開發(fā)的CMOS-APS均具有微透鏡陣列結(jié)構(gòu)，在整個CMOS-APS像元上放置一個微透鏡將光集中到有效面積上，可以大幅度提高靈敏度和填充系數(shù)。

7）提高動態(tài)范圍動態(tài)范圍是反映圖像傳感器性能的主要指標(biāo)之一，目前CMOS圖像傳感器的動態(tài)范圍還稍遜于CCD，雖然對數(shù)響應(yīng)型CMOS圖像傳感器的動態(tài)范圍可達120 dB，但同時也增加了圖像噪聲，影響了圖像質(zhì)量。提高動態(tài)范圍的方法之一就是利用PECVD超高真空系統(tǒng)以及專用集成電路（ASIC）薄膜技術(shù)，改進光電二極管的材料組合，提高低灰度部位的感光度，同時在像素電路的結(jié)構(gòu)及驅(qū)動方法上下功夫，實現(xiàn)低灰度時自動轉(zhuǎn)換到線形輸出，高灰度時自動轉(zhuǎn)換到對數(shù)壓縮輸出。

8）DRSCAN噪聲消除技術(shù)Sony公司采用了“DRSCAN”噪聲消除技術(shù)和抑制暗電流的“HAD”結(jié)構(gòu)改善CMOS圖像傳感器噪聲較高這一弱點。獨特的“DRSCAN”技術(shù)在逐點順序讀出每個像素信號和噪聲成分的同時，消除由同一電路中晶體管特性不均所引起的固定圖形噪聲$，為消除暗電流引起的固定圖形噪聲，Sony公司還借鑒了CCD圖像傳感器的“HAD”結(jié)構(gòu)，抑制非入射光引起的暗電流，使信噪比提高了近25倍。且“HAD”結(jié)構(gòu)采用L形門的像素結(jié)構(gòu)，幾乎使所有的電子完全轉(zhuǎn)移，實現(xiàn)了無拖影的圖像信號輸出。

9）低壓驅(qū)動掩埋光電二極管東芝公司于2003年開始采用掩埋光電二極管新型結(jié)構(gòu)，降低了漏電電流。在低壓下也能確保無電荷殘余的完全讀出，實現(xiàn)了與CCD攝像器件同等的高質(zhì)量圖像，表2為新舊光電二極管的性能比較。

表2 光電二極管的主要性能Tab.2 Main performance of photodiode

10）CMOS C3D技術(shù)C3D（CMOS Color captive Device）

是新一代半導(dǎo)體成像技術(shù)。它不僅提高了像素設(shè)計技術(shù)，也改進了生產(chǎn)工藝。采用這種技術(shù)生產(chǎn)的0.25 μm CMOS圖像傳感器,可以在保全性能的前提下增加晶體管的數(shù)量和占空因數(shù)（Fill Factor）。除了增加像素設(shè)計的選擇方案之外，還可實現(xiàn)更加復(fù)雜的功能和更低的功耗。而且，該傳感器在速度方面也有很大優(yōu)勢。C3D技術(shù)采取了以下對策：①通過改進CMOS工藝來降低暗電流的發(fā)生率；②壓縮結(jié)面積（Junction Area）；③通過提高幀速率（Frame Rate）來縮短暗電流的匯集時間。

11）彩色插值算法在實用中，為降低成本，減小尺寸，提高圖像質(zhì)量，可采用Bayer濾光陣列把輸入光信號分解為RGB三基色，且每個像素點只采集1種有色光的亮度。為獲得高質(zhì)量彩色圖像，必須利用插值方法恢復(fù)丟失的色差分量。因此提出了基于自然景物特征和圖像像素間相關(guān)性的新型圖像插值算法。該插值算法對R像素和B像素進行統(tǒng)一處理，抑制了拉條效應(yīng)，充分利用自然景物的特征，使圖像更逼真。改善了CMOS圖像傳感器的成像質(zhì)量。

12）CMOS圖像傳感器突破技術(shù)瓶頸CMOS圖像傳感器打破汽車測距技術(shù)瓶頸[6]。Canesta公司從1999年成立以來就一直致力于開發(fā)CMOS圖像傳感器，經(jīng)過7年的努力該公司終于開發(fā)成功了這種最有前景的技術(shù)。Canesta公司的CMOS圖像芯片能夠在硬件上通過飛行時間式同時計算出成像芯片上的每個點，從而感應(yīng)出汽車到每個物體之間的距離，而不像超聲波傳感器那樣只能感應(yīng)到汽車和最近物體之間的距離。Canesta公司的方案前景一定不錯，因為它只使用了一個相機，而且是基于CMOS技術(shù)，這對于保持低成本來說是至關(guān)重要的。再加上使用了飛行時間式計算方法，它可以給汽車帶來各種各樣的功能。飛行時間(time-of-flight)式計算方法是指Canesta使用了一個紅外光源來照亮有不可見光的區(qū)域，然后計量出光從發(fā)射器(在成像器后面)射到外面的物體并最終返回到CMOS探測器的時間。通過使用CMOS芯片上的硬件裝置，機器視覺算法可以計算出該區(qū)域每一個點和汽車間的距離，從而輕松地給各種物體分門別類——從本質(zhì)上來說，這是準(zhǔn)確計算，而不僅僅是感應(yīng)。

過去工藝中各種不易解決的技術(shù)問題現(xiàn)在都能找到相應(yīng)的解決辦法，圖像質(zhì)量得到大大改善，像素規(guī)模已由最初的幾萬像素發(fā)展到現(xiàn)在的幾百萬上千萬像素。CDS電路，技術(shù)彩色濾波器陣列技術(shù)，數(shù)字信號處理（DSP）技術(shù)，噪聲抑制技術(shù)不斷有新突破，目前CMOS傳感器大都采用0.35 m或0.5 m的CMOS制造工藝，CMOS單元面積上的像素數(shù)已與CCD相當(dāng)，因此可基本達到CCD器件的高分辨率。

3 圖像傳感器在未來應(yīng)用上的分析

世界圖像傳感器2007年的出貨量為10.95億個，比上年增長19%，預(yù)期到2013年將增長到20億個，年均增長率超過10%［7］。世界圖像傳感器的應(yīng)用情況如表3所示。

表3 世界圖像傳感器應(yīng)用情況Tab.3 Applications of world image sensors

2007～2011年間CCD傳感器出貨量將從1.67億個下降到1.44億個，而同期CIS則將從9.29億個快速上升到15.68億個，年均增長率達14%。同期出貨值前者從24.36億美元下降到10.86億美元，跌幅過半；后者從30.51億美元增加到35.77億美元，年均增長率也不過4%。移動電話市場按數(shù)量計將以15.6%的年率高速增長，預(yù)計2011年將大大超過15億部。在數(shù)碼相機應(yīng)用領(lǐng)域，小型機中CMOS也正在逐漸取代CCD。CMOS與CCD相比，價格便宜，因此在整個圖像傳器電子消費應(yīng)用方面，CMOS有取代CCD的趨勢。表4為CMOS圖像傳感器的新產(chǎn)品。

表4 CMOS圖像傳感器新產(chǎn)品Tab.4 New products of CMOS image sensor

4 總結(jié)與展望

CMOS圖像傳感器正朝著高分辨率，高靈敏度，低噪聲，大動態(tài)范圍，高智能化的方向不斷發(fā)展[8]。通過完善CMOS的制造工藝，進一步改善CMOS圖像質(zhì)量，靈敏度等問題，從而使其在視頻監(jiān)控，圖像采集，指紋識別，數(shù)碼相機，可視通信設(shè)備,醫(yī)用儀器儀表，航空探測設(shè)備，視頻電子郵件、汽車尾視、醫(yī)療設(shè)備、保安監(jiān)控、可視通信、眼膜識別、工業(yè)視頻監(jiān)控、視覺玩具等方面將得到了更廣泛的應(yīng)用。在過去相當(dāng)長的時間里，CCD圖像傳感器由于其高解析度、低噪聲、高敏感度和動態(tài)范圍廣等優(yōu)點，一直處于主導(dǎo)地位；而受工藝水平的限制，CMOS圖像傳感器因其固有的圖像質(zhì)量差、分辨率低、噪聲高和光照靈敏度不夠等特點，沒有得到重視和發(fā)展。而近年來，由于集成電路設(shè)計技術(shù)和工藝水平和CMOS在一些新技術(shù)的突破的提高，CMOS圖像傳感器過去存在的缺點，現(xiàn)在都可以找到辦法克服，因而它再次成為研發(fā)的熱點。與CCD相比，CMOS體積小，耗電量不到CCD的十分之一，而售價也比CCD便宜三分之一；加之CMOS傳感器具有更好的量產(chǎn)性，而且容易集成其他邏輯電路在內(nèi)而形成功能更豐富的SoC產(chǎn)品，而這在CCD中是很難實現(xiàn)的。低成本的CMOS更適合于成本敏感型的消費電子應(yīng)用。因此，CMOS圖像傳感器的應(yīng)用前景更加廣闊。

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[7]程開富.CMOS圖像傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)探討[J].光機電信息，2001（8）：27-34.

CHENG Kai-fu.The development and key technologe of CMOS image sensor[J].OME Information,2001（8）：27-34.

[8]CNET科技資訊網(wǎng)，高清DV發(fā)展之路探索從CCD到CMOS大勢所趨[EB/OL].（2007-02-15）[2010-01-10].

http://www.cnetnews.com.cn/files/list-0-0-9126-0-2-0.htm.