《電子技術應用》
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CCD和CMOS主要技術分析
摘要: CCD和CMOS是當前主要的兩項成像技術,它們產生于不同的制造工藝背景,就當前技術言仍各具優劣。選擇CCD或CMOS攝像機應依據適用環境和要求,合適選用CCD或CMOS技術,便能使圖像監控達到預期的效果。另外,還可看到,COMS作為極具發展潛力的成像技術,較CCD有著更強勁的優勢。本文將對CCD和CMOS主要技術作簡要分析,并作出選擇判斷。
Abstract:
Key words :

CCDCMOS是當前主要的兩項成像技術,它們產生于不同的制造工藝背景,就當前技術言仍各具優劣。選擇CCD或CMOS攝像機應依據適用環境和要求,合適選用CCD或CMOS技術,便能使圖像監控達到預期的效果。另外,還可看到,COMS作為極具發展潛力的成像技術,較CCD有著更強勁的優勢。本文將對CCD和CMOS主要技術作簡要分析,并作出選擇判斷。

  無論是交通抓拍,還是高清視頻監控,只要應用到視覺成像技術,就會涉及到感光傳感器——即CCD或CMOS成像技術。
 

  CCD和CMOS主要技術特性比較

  對于交通抓拍和視頻監控,對前端成像傳感器CCD和CMOS比較關注的技術特性主要有以下幾點。

  電子快門Electronic Shutter

  電子快門用來控制芯片從開始到結束的電荷積分時間。由于CCD芯片暴露在光線下,即使把電荷轉移也還會有電荷累積。因此,如果被測的是運動目標,就會產生常說的Smear(拖影)現象。CCD是用行間轉移(ILT)的方式解決電荷累積問題的,每個像素被分為感光區和電荷轉移區,電荷轉移區不感光,這樣在曝光結束時先將電荷一次性轉移到轉移區,再讀出,這樣讀出過程就沒有電荷積分,不會產生因目標運動而引起的Smear現象。但顯然ILT方式減少了像素的感光面積,降低了靈敏度。這時,通常在像素上增加微透鏡來收集更多的電荷。

  CMOS芯片上電荷都是在每個像素上讀出的,不存在CCD芯片的問題,它的電子快門分Rolling shutter和Global shutter兩種,Rolling shutter通常采用的都是3T像素結構,每次僅能對一行像素進行曝光控制(如圖1-1),即一行曝光后再對下一行進行曝光,這樣就會出現如圖1-2所示的情形。Global shutter的芯片需要具備5T的結構,使整幅圖像所有像素同時開始和結束曝光,圖1-3是Global shutter的成像效果。但5個光電二極管的結構同樣減小了感光面積,這也可以通過增加微透鏡的方式來彌補。

  

 

  幀率:Frame Rate

  另外一個需要重點考慮的是幀率。對于CCD感光器來說,抓拍和監控速度主要受制于電荷的讀出速度,讀出時鐘又決定了電荷讀出速度的快慢,分辨率越高,CCD芯片讀出的速度就越慢。實際上,讀出時鐘的上限取決于光-電轉換的讀出放大器的帶寬,更高的讀出速率要求有更寬的帶寬;但另一方面,帶寬越大又會帶來更多的噪聲,同時高速高帶寬的讀出放大器功率也會增加。因此,對CCD感光器而言,高速是在像素分辨率、噪聲、功耗之間的平衡。多通道可以在一定程度上解決讀出速度的問題,將圖像分成多個區域,分別用讀出放大器讀出,再進行拼合。由于多通道電路使攝像機體積更大、功耗更高,故不適合于所有應用。

  對于CMOS芯片而言,以單個像素為單位將電荷轉化為電壓,讀出放大器就不再需要提高速度來支持更高的幀率。因此,CMOS芯片更易獲得更高幀率。與此同時,與CCD不一樣,CMOS得到的圖像數據能夠清零而無需被讀出。這就解決了機器視覺系統僅對圖像里感興趣區域成像、只需讀出部分圖像信息的問題。當只需讀出感興趣區域的應用場合,CMOS芯片能夠在不增加像素頻率的基礎上支持更高的幀率。

  微光成像(低照度成像)Low-light Operation

  當需要在微光下成像時,CCD和CMOS感光器采用的技術是不同的,在微光條件下,讀出放大器非常重要,CCD采用統一的放大器讀出,相應的,一致性比CMOS要好。微光條件意味著信號和噪聲的量級接近,噪聲對圖像的質量影響會很大。每個CMOS感光器像素上的讀出放大器都是低帶寬放大器,比CCD感光器中用的高帶寬放大器噪聲更小,因此,可以通過提高信號增益來獲得更好的信噪比。而通常CCD比CMOS的填充因子要高,同樣條件下收集的電荷數會更多。同時CCD可以通過電荷倍增技術,在讀出前,通過多級的電荷倍增,每次增加小幅度增益,獲得更高的信噪比。此外,像素組合功能(Binning)也可以提高CCD的靈敏度,對N個像素進行Binning可將信噪比提升N倍。CMOS也可以進行類似的Binning,往往是對相鄰像素電壓信號進行采樣疊加,由于采樣也會引入一定的隨機噪聲,因此,CMOS中對N個像素進行Binning所得的信噪比的提升只能達到倍。非可見光成像Other Wavelenghs

 

  CCD和CMOS感光器在對可見光以外的光譜成像方面也有很大的不同,如紅外光(IR)射到傳感芯片上時會比可見光打得更深,因此要想充分收集這些電荷,就需要將硅襯底做得更厚些。這對于CCD芯片,在工藝上會容易些。而對于CMOS,工藝還會有些問題。將感光部分硅襯底做得更厚,意味著要將其他的光電二極管做得同樣厚,這樣會影響這些控制門、放大器等器件的性能。

  對于紫外光(UV),無法透過大多數集成電路電極層,或者是電路電機層對紫外線根本不響應。這就導致如果采用前照的方式,紫外光引起的響應會很弱,要解決這個效應問題,可以通過去掉基底層,采用背照的方式來實現。CCD感光器的減薄技術已經非常成熟,而CMOS的減薄技術也取得了很大的突破。

  CCD還是CMOS?作出選擇

  從CCD和CMOS感光器對電子快門、幀率、微光成像及非可見光成像的不同工藝技術所帶來的不同影響,可以不難看出,選擇CCD或CMOS傳感器應取決于具體應用(圖2)。對于需要微光或非可見光成像的應用,CCD技術的優勢非常明顯;對于需要高幀率和低能耗的應用,或需要對一些感興趣區域成像的應用,CMOS則是更好的選擇;如果對電子快門有特別的需求,這兩種技術則各有利弊。

  

CCD內部結構圖

 

  圖2 CCD內部結構圖

  可以看到,對于交通抓拍而言,傳感器必須要Global shutter的,這樣才能避免車牌的變形(圖3);同時,如果對夜間效果要求比較高,最好是選擇靈敏度高的傳感器(CCD或者高端CMOS芯片);而為了避免產生拖影擋住車牌,應選擇CMOS,以有效彌補這個缺陷;而對于視頻監控而言,圖像的實時性和流暢性更為重要,所以幀率更具優勢的CMOS就成為最佳選擇。

  針對交通抓拍和高清視頻監控,現在有廠商推出將各類主要成熟技術集成在高端CMOS傳感器上的整體解決方案。

  CMOS后勁勃發

  CCD和CMOS的主要區別是感光單元及讀出電路結構不同而導致制造工藝的不同。CCD感光單元實現光電轉換后,以電荷方式存貯并以電荷轉移的方式順序輸出,需要專用的工藝制程實現。CMOS圖像感光單元為光電二極管,可在通用CMOS集成電路工藝制程中實現,除此之外還可將圖像處理電路集成,實現更高的集成度和更低的功耗。

  由于CCD技術出現較早,相對成熟,占據了絕大部分的高端市場。早期CMOS與CCD相比,僅只功耗與成本優勢,現在隨著CMOS技術的不斷進步,性能已不斷提升,而CCD技術提升空間有限,進步緩慢。

  目前,圖像傳感器技術趨勢是向高速發展,而CMOS是高速成像所青睞的技術。有資料說,高速圖像傳感器有三大發展動向,一是向超高速、二是向單片上多功能集成、三是向通用高速圖像傳感器方向發展。

  現在,CMOS不僅占據幾乎全部的便攜產品和部分高端DSC(Digital Still Camera)市場,更是向CCD傳統優勢市場——監控市場發起了沖擊。

  結語

  CMOS作為上升的感光傳感器技術,盡管現在仍有一些性能比不上CCD,但CCD和CMOS在制造上的主要區別是CCD是集成在半導體單晶材料上,而CMOS是集成在被稱做金屬氧化物的半導體材料上,工作原理沒有本質區別,CCD制造工藝較復雜。目前CCD和CMOS實際效果的差距已大大縮小,與CCD相比,CMOS體積小、耗電量低、成本低廉;CMOS是標準工藝制造,可利用現有半導體設備,品質可隨半導體技術的提升而進步;CMOS傳感器具有高度系統整合的條件,即圖像傳感器所需的功能,都可集成在一顆晶片上。

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