CCD与CMOS图像传感器特点比较_熊平

收稿日期:2003-12-23.
动态综述
CCD 与CMOS 图像传感器特点比较
熊 平
(重庆光电技术研究所,重庆400060)
摘 要: 简要介绍了CCD(电荷耦合器件)与CMOS 图像传感器的结构,并对二者的性能特点进行了比较,指出二者在未来的发展中不会出现谁消灭谁的结局。

关键词: CCD;C MOS;图像传感器
中图分类号:TN386.5 文献标识码:A 文章编号:1001-5868(2004)01-0001-04
Comparison of CCD and CMOS Image Sensors
XIONG Ping
(Chongqing Optoelectronics Research Institute,Chongqing 400060,CHN)
Abstract: The article introduces the struc ture of CCD (charge -coupled device )and C MOS ima ge sensors,followed by comparison of their performances.In predictable future,the result sho ws that neither of them will be replaced with each other.
Key words: CCD;C MOS;image sensor
1 引言
CMOS 与CCD 图像传感器相比,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 的相比相对较低。

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。

CCD 与C MOS 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C MOS 器件相比,用户可构建更多不同的摄像系统。

CCD 与C MOS 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,C MOS 器件具有较高的技术与市场开发成本。

C MOS 与C C
D 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CCD 与C MOS 图像传感器的特点,从表中可见C MOS 与CCD 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[1]
,在可预见的未来将并存发展,共同繁荣图像传感器市场。

表1 C CD 与CMOS 图像传感器的特点CCD
C MOS
像元尺寸最小单一内部电压供电噪声最低单一主控时钟暗电流最低
低功耗灵敏度最高
X -Y 寻址可任意开子窗口
全帧转移结构占空比近100%系统尺寸最小具有自然的电子快门功能
相机电路易于全集成
(单芯片相机)
成熟技术与市场
相对低价
1 半导体光电 2004年第25卷第1期熊 平: CCD 与C MOS 图像传感器特点比较
2 图像传感器的基本结构
图1所示为CCD 图像传感器工作原理框图
[2]。

器件完成曝光后光子通过像元转换为电子电荷包,电荷包顺序转移到共同的输出端,通过输出放大器将大小不同的电荷包(对应不同强弱的光信号)转换为电压信号,
缓冲并输出到芯片外的信号处理电路。

图1 CCD 图像传感器工作原理框图
如图1所示,相机的大部分信号处理功能在印刷电路板上实现,如果应用要求改变,设计者可通过改变电路板功能而无须重新设计图像传感器。

图2所示为C MOS 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-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,C MOS 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
3 特性比较
3.1 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。

CCD 图像传感器灵敏度较C MOS 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。

C MOS 图像传感器由于采用0.18~0.5m m 标准C MOS 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 [3]
,导致像元对红
光及近红外光吸收困难。

3.2 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C MOS 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。

CC D 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。

3.3 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,CC D 动态范围约较C MOS 的高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。

C MOS 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。

CCD 的低噪声特性是由其物理结构决定的。

3.4 响应均匀性
由于硅圆片工艺的微小变化、硅片及工艺加工引入缺陷、放大器变化等导致图像传感器光响应不均匀。

响应均匀性包括有光照和无光照(暗环境)两种环境条件。

C MOS 图像传感器由于每个像元中均有开环放大器,器件加工工艺的微小变化导致放大器的偏置及增益产生可观的差异,且随着像元尺寸进一步缩小,差异将进一步扩大,使得在有光照和暗环境两种条件下C MOS 图像传感器的响应均匀性较
CCD 有较大差距。

C MOS 图像传感器研制者研究采用反馈放大器
等技术改进有光照条件下的均匀性,使之逐渐接近CCD 的均匀性水平。

尽管C MOS 图像传感器研制者投入大量的努力降低暗环境下器件响应不均匀性,但C MOS 放大器偏置变化导致的暗环境下器件响应
2 SEMICONDUCTOR OPTOELECTRONICS Vol.25No.1Feb.2004
均匀性仍较CCD有较大差距。

这在高速摄像应用中由于信号弱,暗环境不均匀性将显著降低图像质量。

3.5 暗电流
标准CMOS图像传感器具有较高的暗电流,暗电流密度为1nA/c m2量级,经过工艺最佳化后可降低到100pA/cm2量级,而精心制作的CCD的暗电流密度为2~10pA/cm2[4]。

3.6 电子快门
快门代表了任意控制曝光开始和停止的能力。

CCD像感器特别是内线转移结构像感器具有优良的电子快门功能,由于器件可纵向从衬底排除多余电荷,电子快门功能几乎不受像元尺寸缩小的限制,不会挤占光敏区面积而降低器件占空比。

CMOS像感器在每个像元中需要一定数量的晶体管来实现电子快门功能,增加电子快门功能将增加像元中的晶体管数量,压缩感光区的面积,降低器件的占空比,特别在像元尺寸进一步缩小时此矛盾更为突出。

C MOS像感器设计者采用在不同时间对不同行进行曝光的滚动快门方式解决此问题。

这种方式减少了像元中的晶体管数,提高了占空比,但在高性能应用中运动目标会出现明显的图像变形,因此只适合某些商业应用。

此外可采用较大尺寸的像元以兼顾图像高性能和具有与CC D类似的同时曝光的电子快门功能。

3.7 速度
由于大部分相机电路可与C MOS图像传感器在同一芯片上制作,信号及驱动传输距离缩短,电感、电容及寄生延迟降低,信号读出采用X-Y寻址方式,C MOS图像传感器工作速度优于CC D。

通常的CCD像感器由于采用顺序传输电荷,组成相机的电路芯片有3~8片,信号读出速率不超过70Mpixels/ s[3]。

CMOS像感器设计者采用将模数转换(ADC)作在每个像元中,使C MOS像感器信号读出速率可达1 000Mpixels/s[5]。

3.8 窗口
CMOS图像传感器由于信号读出采用X-Y寻址方式,具有读出任意局部画面的能力,这使它可以提高感兴趣的小区域的帧或行频。

这种功能可用于在画面局部区域进行高速瞬时精确目标跟踪。

C CD图像传感器由于其顺序读出信号结构决定它在画面开窗口的能力受到限制。

3.9 抗晕能力
抗晕能力指将过度曝光产生的多余电荷排除像元,不影响画面其他部分的能力。

通常的C MOS的像元结构决定它具有自然的抗晕能力。

CCD图像传感器需要特殊的结构设计才能具有抗晕能力。

大多数商用CCD均具有抗晕能力,但高性能的科学级CCD由于其多用于弱信号探测,通常未设计抗晕结构。

3.10 偏置与功耗
C MOS图像传感器通常在单一的较低外接信号偏置电压与时钟电平下工作,非标准电压偏置通过芯片内部转换解决。

典型的CCD像感器需要几组较高的偏置电压才能工作,近期的CCD器件通过改进,其时钟工作电压降低到与C MOS相近,但其输出放大器偏压仍较高。

C MOS图像传感器在像元区功耗明显低于CC
D 图像传感器(图1、2中浅色部分),但C MOS相机的其他电路部分可能比采用专门设计的CCD驱动与信号处理ASIC电路功耗要高。

从相机系统角度来说,通常情况C MOS相机与C CD相机相比功耗较低,但在高速应用情况下(时钟频率高于25MHz),二者功耗差别不明显。

3.11 可靠性
两种图像传感器在商用及工业应用领域具有等价的可靠性。

在极端恶劣的应用环境中,由于C MOS图像传感器将大部分相机电路集成在一个芯片上,焊点与接头大大减少,其可靠性优于CCD图像传感器。

由于C MOS图像传感器的高集成特性,相机体积可大大小于CCD相机的体积。

4 发展趋势
在高分辨率、高灵敏度的高端应用领域,CCD占据着领先地位。

2004年成功登陆火星的 勇气 与 机遇 号上的高清晰度全景相机采用加拿大DALSA公司制作的4000 4000像素CCD图像传感器。

美国LOCKHEED MATI N公司1996年制作出像素尺寸8.75 m 8.75 m、9000 9000像素的CCD,像素尺寸10 m 10 m、像素规模10000 10 000的CCD已于2000年进行设计[6]。

日本索尼、夏普等公司制作的CCD器件的最小像素尺寸缩小到
2.5 m 2.5 m,相应的空间分辨率达200lp/mm。

C MOS图像传感器方面,美国Foveon公司2000年制作出4096 4096像素的C MOS图像传感器,东芝公司2004年1月推出3.75 m 3.75 m像素
3
半导体光电 2004年第25卷第1期熊 平: CCD与C MOS图像传感器特点比较
最小尺寸的CMOS实用相机模块。

标准集成电路C MOS工艺线已升级到最小线宽0.13~0.18 m,日本东芝、松下公司2003年底已宣布建成65nm C MOS工艺线。

与其对照的是制作CMOS图像传感器的C MOS工艺线最小线宽为0.35 ~0.5 m,其最小线宽难以随标准集成电路C MOS 工艺线升级减小以缩小像素尺寸,主要的原因是最小线宽0.25 m以下时制作的C MOS图像传感器性能大大下降,特别是存在深亚微米/纳米C MOS栅介质决定的高暗电流(导致较高的噪声)及低工作电压使像元电荷容量减小等问题[7]。

CCD图像传感器在需要3~16M甚至更高像素分辨率、低噪声高灵敏度的高画质应用,如摄像机、侦察卫星、光谱仪、生物医学摄影、微光成像等领域具有高性价比。

而C MOS图像传感器在1.3M像素以下的低端领域,即价格与易于集成、小型化比高分辨率更重要的应用领域,如商用数码相机、机器视觉、玩具、手机等领域性价比占优。

由于C MOS图像传感器制作需在通用集成电路CMOS工艺中增加多种特殊工艺以提高性能,因此高质量COMS图像传感器制作工艺越来越向专用图像传感器C MOS工艺发展,导致多家通用C MOS集成电路制造商逐渐推出图像传感器领域的角逐。

与之对照,世界知名C CD器件制造商凭借其积累的光电探测器制作工艺技术及成熟的图像传感器市场渠道,纷纷建立专用的C MOS图像传感器工艺线。

如日本索尼、东芝、夏普、松下、美国柯达、加拿大DALSA、荷兰菲利普等公司,推出CMOS数码相机、手机相机模块。

东芝公司更于2004年大量推出价格为20美元的手机相机模块。

世界最大C MOS图像传感器制造商Omnivision也与图像传感器巨头索尼联手进军玩具图像传感器市场。

这些公司的CMOS与CCD图像传感器在市场上形成互补。

图3所示为美国Kodak公司[8],全球著名的CCD和C MOS图像传感器生产商提供的图像传感器发展趋势。

从图3中可以看出,20世纪60年代至20世纪80年代,图像传感器主要为硅靶摄像管。

20世纪80年代中期至20世纪90年代中期CCD图像传感器一统天下。

20世纪90年代中期以后,C MOS图像传感器异军突起,发展迅速。

根据Kodak公司的预测,未来10年CCD仍将占据高性能图像传感器市场,C MOS随着技术的进一步发展与成熟,也将在高端市场占据一席之地。

在低端市场,C MOS将挤占大半CCD图像传感器原占据的市场,
成为低端市场的主流产品。

图3 图像传感器发展趋势示意图
5 结语
自20世纪90年代中后期C MOS图像传感器性能大幅提高,开始规模进入市场以来,在CMOS图像传感器将完全替代或消灭CCD的论点刺激下,许多IC厂商在C MOS图像传感器投入大量资金和人力,兴起了C MOS图像传感器研发与生产热潮。

经过数年的论争与市场检验,许多IC厂商退出了C MOS图像传感器市场竞争。

CCD以其结构的物理原理决定的低信号噪声、高分辨率、高灵敏度等高画质性能牢固占据图像传感器高端市场,C MOS图像传感器以其高集成度、高速、小体积、低价格等特点在低端市场占据越来越大的份额。

在未来的发展中,二者相互竞争、相互补充。

CCD图像传感器向小型化、低功耗方向发展(如2003年日本SANYO推出的低功耗手机摄像头), C MOS向降低噪声、提高灵敏度等方向发展(如2003年美国KODAK推出的4500 3000像素C MOS专业相机),二者在性能方面的差异将不像目前这样清晰分明[9]。

参考文献:
[1] Li twiller D vs.C MOS:the battle cools off[J].
Photonics Spectra,2002,(1):.
[2] Li twiller D vs.CMOS:facts and fiction[J].Photonics
Spectra,2001,(1):.
[3] Janesick J.Dueling detectors:CCD or CMOS[J].OE
M agzine,2002,(1):36.(下转第42页)
4
的光隔离器确保光的单向传输,防止光纤端面反射对其性能造成影响,并消除出射光中的泵浦光。

每只光隔离器的带宽为1535~1565nm,其隔离度大于50dB,回波损耗大于60dB,插入损耗为0.31dB,带宽大于60nm。

图4 超荧光输出光功率与吸收的泵浦光功率关系曲线
采用Anritsu MS9710B 光谱分析仪测量该超荧光光纤光源的输出光谱(工作范围为600~1750nm,分辨率为0.1nm)。

泵浦功率为248mW 时在1.55 m 波段获得的光纤增益介质的超荧光辐射谱如图5
所示。

图5 超荧光光谱
由图5知谱峰值波长为1534.96nm,荧光谱3
dB 带宽为1.76nm 。

且谱宽随输出功率的增加而下降,其改变呈渐变的过程。

这是由于增益介质的均匀展宽特性使得超荧光光谱的带宽随着输出功率的增加而减小。

考验1h 以上,未见波长漂移,ASE 的输出光谱峰值未见漂移,光谱的形状基本不变。

实验结果表明,在超荧光输出功率从100mW 到250m W 的范围内,都存在这样的平坦光谱输出。

参考文献:
[1] Townsend J B,Barnes W L,Jedrzejewskl K P,et al.Yb 3+
sensitized Er 3+doped silica optical fiber with ultrahigh transfer efficiency and gain[J].Electron.Lett.,1991,27(21):1958-1959.
[2] Chen Z J,M inelly J D,Gu pact low cost Er 3+/
Yb 3+co -doped fiber amplifiers pumped by 827nm laser diode [J].Electron.Lett.,1996,32(19):1812-1813.[3] Grubb S G,Humer W H,Cannon R S,et al.+24.6dBm
output power Er/Yb codoped optical amplifier pu mped by diode -pumped Nd YLF laser[J].Electron.Lett.,1992,28(13):1275-1276.
[4] Federighi M ,Pasquale F D.The effect of pai r -induced energy transfer on the performance of silica waveguide amplifiers with high Er 3+/Yb 3+concentrations [J ].IEEE Photon.Technol.Lett.,1995,7(3):303-305.
[5] Pasquale F D,Federighi M.Improved gain characteristics in
high -concentration Er 3+/Yb 3+co -doped glass waveguide amplifiers[J].IEEE J.Quan tum Electron.,1994,30(9):2127-2131.
作者简介:
郭玉彬(1962-),男,山东人,教授,光学专业理
学博士。

从事光通信领域的教学和科研工作。

已发表学术论文20余篇。

E -mail:guo-yb@163.c om
(上接第4页)
[4] Blank N ,D versus C MOS -has CCD i maging
come to an end?[J].Photogrammetric Week,2001,131-137.
[5] Kleinfelder S,Lim S,Liu X,et al.A 10000frames/s
CMOS digi tal pixel sensor[J].IEEE J.Solid State Circuits,2001,36(12):2049-2059.
[6] Janesick J R.Scientific charge -coupled devices[J].Proc.of
SPIE,2001.
[7] Tisus H.The ri ght C MOS camera for the job[J].Photonics
Spectra,2002.
[8] T isus H.Imaging sensors that capture you attenti on [J ].
Sensors,2001,18(2):.
[9] Wiedemann R.What s next for C MOS i mage sensor [J].
Photonics Spectra,2003,(1):.
作者简介:
熊 平(1965-),男,高级工程师。

1985年毕业于西安交通大学,1996年毕业于电子科技大学半导
体物理与微电子学专业,并获硕士学位。

目前主要从事CCD 的研制与开发工作,已发表论文7篇。

E -mail:xiongping99@
42。