主頁(yè)（http://www.130131.com）：固體圖像傳感器CMOS與CCD的比較(2) CMOS與CCD在制造工藝與設(shè)備上的對(duì)比 由于CCD成像器的信號(hào)需要一行一行地讀出，這樣，在離輸出放大器較遠(yuǎn)的像素，電荷必須經(jīng)過(guò)多次傳輸才能被讀出，因此在CCD成像器件的制作上，必須使每個(gè)像素都完美無(wú)缺(即完好無(wú)損)，否則某一列的信號(hào)便無(wú)法完整地讀出。此外，每次電荷的傳輸還必須非常干凈，即電荷傳輸效率要非常高，否則會(huì)因電荷的屯積而造成影像污點(diǎn)。因此，雖然CCD的材料是硅芯片，但必須要有特殊的制造工藝技術(shù)與設(shè)備，并且還要累積相當(dāng)?shù)闹圃旖?jīng)驗(yàn)，才能確保高像素的正品率及高的電荷傳輸效率。所以CCD的生產(chǎn)極易由少數(shù)廠(chǎng)商所壟斷。 而CMOS成像器件的制作比較簡(jiǎn)單、容易，因?yàn)樗恍枰褂靡话愕陌雽?dǎo)體制造工藝與設(shè)備，不必自備昂貴的半導(dǎo)體制造工藝設(shè)備。只需將CMOS線(xiàn)路設(shè)計(jì)好，請(qǐng)一些半導(dǎo)體廠(chǎng)代為加工即可。因此，CMOS成像器件在開(kāi)發(fā)及制造成本上很具競(jìng)爭(zhēng)力。 CMOS與CCD在技術(shù)性能上的對(duì)比 信息讀取方式的對(duì)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(shí)鐘驅(qū)動(dòng)脈沖的控制下，一位一位地實(shí)施轉(zhuǎn)移后逐行順序讀取。 而CMOS光電成像器件的光學(xué)圖像信息經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后產(chǎn)生電流或電壓信號(hào)，這個(gè)電信號(hào)不需要像CCD那樣逐行讀取，而是從CMOS晶體管開(kāi)關(guān)陣列中直接讀取的，可增加取像的靈活性。而CCD絕無(wú)此功能。 速度的對(duì)比 由上知，CCD成像器件需在二、三、四相時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)脈沖的控制下，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(hào)的同時(shí)就可取出電信號(hào)，它并能同時(shí)處理各單元的圖像信息，所以速度比CCD成像器件快得多。由于CMOS成像器件的行、列電極可以被高速地驅(qū)動(dòng)，再加上在同一芯片上做A/D轉(zhuǎn)換，圖像信號(hào)能快速地取出，因此它可在相當(dāng)高的幀速下動(dòng)作。如有些設(shè)計(jì)用來(lái)做機(jī)器視覺(jué)的CMOS，聲稱(chēng)可以高達(dá)每秒1000個(gè)畫(huà)面的幀速。 電源及耗電量的對(duì)比 由于CCD的像素由MOS電容構(gòu)成，讀取電荷信號(hào)時(shí)需使用電壓相當(dāng)大(至少12V)的二相或三相或四相時(shí)序脈沖信號(hào)，才能有效地傳輸電荷。因此CCD的取像系統(tǒng)除了要有多個(gè)電源外，其外設(shè)電路也會(huì)消耗相當(dāng)大的功率。有的CCD取像系統(tǒng)需消耗2?5W的功率。 而CMOS光電成像器件只需使用一個(gè)單電源5V或3V，耗電量非常小，僅為CCD的1/8?1/10，有的CMOS取像系統(tǒng)只消耗20?50mW的功率。 成像質(zhì)量的對(duì)比 CCD成像器件制作技術(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，所以噪聲低，成像質(zhì)量好。 與CCD相比，CMOS的主要缺點(diǎn)是噪聲高及靈敏度低，因?yàn)镃MOS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、磁干擾嚴(yán)重，噪聲對(duì)圖像質(zhì)量影響很大，開(kāi)始很長(zhǎng)一段時(shí)間無(wú)法進(jìn)入實(shí)用。后來(lái)，噪聲的問(wèn)題用有源像素(Active Pixel)設(shè)計(jì)及噪聲補(bǔ)正線(xiàn)路加以降低。近年，隨著CMOS電路消噪技術(shù)的不斷進(jìn)展，為生產(chǎn)高密度優(yōu)質(zhì)的CMOS成像器件提供了良好的條件。已有廠(chǎng)商聲稱(chēng)，所開(kāi)發(fā)出的技術(shù)，成像質(zhì)量已不比CCD差。 CMOS成像器件的靈敏度低，是因?yàn)橄袼夭糠置娣e被用來(lái)制作放大器等線(xiàn)路。在固定的芯片面積上，除非采用更精細(xì)的制造工藝，否則為了維持相當(dāng)水準(zhǔn)的靈敏度，成像器件的分辨率不能做得太高(反過(guò)來(lái)說(shuō)，固定分辯率的傳感器，芯片尺寸無(wú)法做得太小)。但目前，利用0.18μm 制造技術(shù)己開(kāi)發(fā)出了4096×4096超高分辨率的CMOS圖像傳感器。 CMOS與CCD在應(yīng)用上的對(duì)比 CCD的發(fā)展已有32年的歷史，可以說(shuō)是相當(dāng)成熟的產(chǎn)品。目前技術(shù)的發(fā)展主要在于如何縮小傳感器的面積、降低生產(chǎn)成本及提高商用性能。CCD的主流應(yīng)用正逐漸從仿真攝像機(jī)、安全監(jiān)控?cái)z像機(jī)等演進(jìn)到數(shù)字多媒體應(yīng)用，如數(shù)字?jǐn)z像機(jī)(Digital Video Camcorder)、數(shù)字相機(jī)DSC(Digital Still Camera)等。由于便攜式數(shù)字相機(jī)要求輕、薄、短小，百萬(wàn)像素級(jí)的CCD已做到1/3″，而中、低分辯率的CCD已發(fā)展到1/4″或1/5″，今后朝1/8″甚至于1/10″發(fā)展。仿真式攝錄像機(jī)的CCD為配合PAL/NTSC電視制式，像素長(zhǎng)寬比亦為4∶3和采用隔行讀取信號(hào)的方式。而專(zhuān)用的數(shù)字相機(jī)則強(qiáng)調(diào)方正像素(可減少信號(hào)處理所需的時(shí)間)及逐行掃描(可提升取像的速度)。 由于CCD有好的影像品質(zhì)、高靈敏度與高分辨率，因此目前在高、中檔的影像應(yīng)用主要是CCD，而對(duì)于一些新興產(chǎn)品，如PC相機(jī)、移動(dòng)電話(huà)等，用CCD則無(wú)法滿(mǎn)足在電源消耗、體積等方面條件的要求。 CMOS成像器件目前主要集中于CIF與VGA等級(jí)產(chǎn)品。CIF等級(jí)的CMOS成像器件已由1/3″、1/4″轉(zhuǎn)至1/4″至1/5″，甚至1/7″。目前1/7″的CIF等級(jí)的CMOS成像器件的耗電量已降至30mw以下，因此多應(yīng)用于手機(jī)等便攜式產(chǎn)品上。VGA等級(jí)的CMOS成像器件已由過(guò)去的1/3″至1/4″，轉(zhuǎn)至1/4″至1/5″。這一等級(jí)的CMOS成像器件的耗電量由過(guò)去的300mw降至100mw左右，它主要應(yīng)用于PC相機(jī)，其次在DSC、PHS及TOY也有應(yīng)用。 由于CMOS成像器件的體積小、耗電低，也用于保安隱蔽式監(jiān)控?cái)z像以及作交互式玩具的“眼睛”。此外，還可開(kāi)辟醫(yī)療市場(chǎng)應(yīng)用，如CMOS用后即丟式攝像機(jī)(像藥丸大小)，讓患者吞下，它就會(huì)經(jīng)過(guò)胃、小腸及大腸，隨糞便排出體外。當(dāng)攝像機(jī)穿越體內(nèi)時(shí)，它會(huì)自己發(fā)光照明，每秒鐘拍攝兩張像片，并以無(wú)線(xiàn)電波傳到病人皮帶上掛著的記錄器內(nèi)。醫(yī)生再把數(shù)據(jù)化的影像傳送到計(jì)算機(jī)上。攝像機(jī)電池可使用8個(gè)小時(shí)，足以拍攝整個(gè)的小腸(因小腸的檢查一直是“盲點(diǎn)”)。顯然，這是CCD做不到的。 CMOS成像器件在VGA等級(jí)以上的分辨率表現(xiàn)，一直不如CCD來(lái)得優(yōu)異，因?yàn)楦呦袼氐腃MOS成像器件必須要降低噪聲與提高靈敏度才能面對(duì)CCD的競(jìng)爭(zhēng)。但CMOS成像器還可利用它的優(yōu)勢(shì)，即結(jié)合感光與影像處理以及辨識(shí)功能，使它成為一種高附加價(jià)值的智能型影像傳感器，而應(yīng)用在一些較特殊的用途上，如機(jī)器視覺(jué)、人體面貌與指紋識(shí)別、動(dòng)態(tài)檢測(cè)等。 結(jié)語(yǔ) 根據(jù)以上所述，將固體光電成像器件CMOS與CCD的比較歸納如表1所示。 由1表看出，CMOS圖像傳感器與CCD相比有很多突出的特點(diǎn)，如體積小、功耗低、成本低、能單芯片集成系統(tǒng)、能隨機(jī)存取、無(wú)損讀取、抗光暈圖像無(wú)拖尾、高幀速、高動(dòng)態(tài)范圍等。因此，CMOS圖像傳感器有著不可抗拒的廣闊的市場(chǎng)誘惑力和良好的發(fā)展前景。
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