2024年9月17日发(作者:天景同)
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。CCD的低噪声特性是由其物理结构决定的.
2.4 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。CMOS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CMOS图像传感器的响应均
匀性较CCD有较大差距。CMOS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CMOS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CMOS放大器偏
置变化导致的暗环境下器件响应均匀性仍较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。
2.5 暗电流
标准CMOS具有较高的暗电流,暗电流密度为1mA/cm量级,经过工艺最佳化
后可降低到100pA/cm的CCD的暗电流密度为2~10 pA/cm
2.6 电子快门
快门代表了任意控制曝光开始和停止的能力CCD特别是内线转移结构像感器
具有优良的电子快门功能,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,感光区的面积,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CMOS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CCD类似的同时曝光的电子
快门功能。
2.7 速度
由于大部分相机电路可与CMOS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,CMOS
图像传感器工作速度优于CCD。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70Mpixes/s。CMOS像感器设计
者采用将模数转换ADC个像元中,使CMOS像感器信号读出速率可达1000
22
2
Mpixes/s。
2.8 窗口
CMOS图像传感器由于信号读出采用X—Y 寻址方式,有读出任意局部画面的
能力,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CCD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。
2.9 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。影响画面其他部分的能
力,通常的CMOS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。
2.10 偏置与功耗
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CMOS相近,但其
输出放大器偏压仍较高,CMOS图像传感器在像元区功耗明显低于CCD图像传感
器(浅色部分)CMOS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CMOS相机与CCD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。
2.11 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CCD由于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CMOS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。
2.12 集成性
CMOS图像传感器同VLSI之间具有良好的兼容性,可以把驱动与控制系统
(CDS)、ADC 和信号处理等电路集成在一块芯片上。CCD的驱动电路及模拟、数
字处理电路尚未集成在同一芯片上。
2.13 成本
由于 CMOS 图像传感器采用标准的半导体制造工艺和高集成性,因此可以节
省外围芯片的成本。与 CCD 相比,CMOS 图像传感器在制造成本上具有优势。
2024年9月17日发(作者:天景同)
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。CCD的低噪声特性是由其物理结构决定的.
2.4 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。CMOS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CMOS图像传感器的响应均
匀性较CCD有较大差距。CMOS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CMOS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CMOS放大器偏
置变化导致的暗环境下器件响应均匀性仍较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。
2.5 暗电流
标准CMOS具有较高的暗电流,暗电流密度为1mA/cm量级,经过工艺最佳化
后可降低到100pA/cm的CCD的暗电流密度为2~10 pA/cm
2.6 电子快门
快门代表了任意控制曝光开始和停止的能力CCD特别是内线转移结构像感器
具有优良的电子快门功能,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,感光区的面积,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CMOS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CCD类似的同时曝光的电子
快门功能。
2.7 速度
由于大部分相机电路可与CMOS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,CMOS
图像传感器工作速度优于CCD。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70Mpixes/s。CMOS像感器设计
者采用将模数转换ADC个像元中,使CMOS像感器信号读出速率可达1000
22
2
Mpixes/s。
2.8 窗口
CMOS图像传感器由于信号读出采用X—Y 寻址方式,有读出任意局部画面的
能力,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CCD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。
2.9 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。影响画面其他部分的能
力,通常的CMOS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。
2.10 偏置与功耗
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CMOS相近,但其
输出放大器偏压仍较高,CMOS图像传感器在像元区功耗明显低于CCD图像传感
器(浅色部分)CMOS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CMOS相机与CCD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。
2.11 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CCD由于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CMOS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。
2.12 集成性
CMOS图像传感器同VLSI之间具有良好的兼容性,可以把驱动与控制系统
(CDS)、ADC 和信号处理等电路集成在一块芯片上。CCD的驱动电路及模拟、数
字处理电路尚未集成在同一芯片上。
2.13 成本
由于 CMOS 图像传感器采用标准的半导体制造工艺和高集成性,因此可以节
省外围芯片的成本。与 CCD 相比,CMOS 图像传感器在制造成本上具有优势。