主页（http://www.pttcn.net）：固体图像传感器CMOS与CCD的比较(2) CMOS与CCD在制造工艺与设备上的对比 由于CCD成像器的信号需要一行一行地读出，这样，在离输出放大器较远的像素，电荷必须经过多次传输才能被读出，因此在CCD成像器件的制作上，必须使每个像素都完美无缺(即完好无损)，否则某一列的信号便无法完整地读出。此外，每次电荷的传输还必须非常干净，即电荷传输效率要非常高，否则会因电荷的屯积而造成影像污点。因此，虽然CCD的材料是硅芯片，但必须要有特殊的制造工艺技术与设备，并且还要累积相当的制造经验，才能确保高像素的正品率及高的电荷传输效率。所以CCD的生产极易由少数厂商所垄断。 而CMOS成像器件的制作比较简单、容易，因为它只需要使用一般的半导体制造工艺与设备，不必自备昂贵的半导体制造工艺设备。只需将CMOS线路设计好，请一些半导体厂代为加工即可。因此，CMOS成像器件在开发及制造成本上很具竞争力。 CMOS与CCD在技术性能上的对比 信息读取方式的对比 CCD光电成像器件存贮的电荷信息，需要在二相或三相或四相时钟驱动脉冲的控制下，一位一位地实施转移后逐行顺序读取。 而CMOS光电成像器件的光学图像信息经光电转换后产生电流或电压信号，这个电信号不需要像CCD那样逐行读取，而是从CMOS晶体管开关阵列中直接读取的，可增加取像的灵活性。而CCD绝无此功能。 速度的对比 由上知，CCD成像器件需在二、三、四相时钟驱动脉冲的控制下，以行为单位一位一位地输出信息，所以速度较慢。 而CMOS成像器件在采集光电图像信号的同时就可取出电信号，它并能同时处理各单元的图像信息，所以速度比CCD成像器件快得多。由于CMOS成像器件的行、列电极可以被高速地驱动，再加上在同一芯片上做A/D转换，图像信号能快速地取出，因此它可在相当高的帧速下动作。如有些设计用来做机器视觉的CMOS，声称可以高达每秒1000个画面的帧速。 电源及耗电量的对比 由于CCD的像素由MOS电容构成，读取电荷信号时需使用电压相当大(至少12V)的二相或三相或四相时序脉冲信号，才能有效地传输电荷。因此CCD的取像系统除了要有多个电源外，其外设电路也会消耗相当大的功率。有的CCD取像系统需消耗2?5W的功率。 而CMOS光电成像器件只需使用一个单电源5V或3V，耗电量非常小，仅为CCD的1/8?1/10，有的CMOS取像系统只消耗20?50mW的功率。 成像质量的对比 CCD成像器件制作技术起步早，技术成熟，采用PN结或二氧化硅(sio2)隔离层隔离噪声，所以噪声低，成像质量好。 与CCD相比，CMOS的主要缺点是噪声高及灵敏度低，因为CMOS成像器件集成度高，各光电元件、电路之间距离很近，相互之间的光、电、磁干扰严重，噪声对图像质量影响很大，开始很长一段时间无法进入实用。后来，噪声的问题用有源像素(Active Pixel)设计及噪声补正线路加以降低。近年，随着CMOS电路消噪技术的不断进展，为生产高密度优质的CMOS成像器件提供了良好的条件。已有厂商声称，所开发出的技术，成像质量已不比CCD差。 CMOS成像器件的灵敏度低，是因为像素部分面积被用来制作放大器等线路。在固定的芯片面积上，除非采用更精细的制造工艺，否则为了维持相当水准的灵敏度，成像器件的分辨率不能做得太高(反过来说，固定分辩率的传感器，芯片尺寸无法做得太小)。但目前，利用0.18μm 制造技术己开发出了4096×4096超高分辨率的CMOS图像传感器。 CMOS与CCD在应用上的对比 CCD的发展已有32年的历史，可以说是相当成熟的产品。目前技术的发展主要在于如何缩小传感器的面积、降低生产成本及提高商用性能。CCD的主流应用正逐渐从仿真摄像机、安全监控摄像机等演进到数字多媒体应用，如数字摄像机(Digital Video Camcorder)、数字相机DSC(Digital Still Camera)等。由于便携式数字相机要求轻、薄、短小，百万像素级的CCD已做到1/3″，而中、低分辩率的CCD已发展到1/4″或1/5″，今后朝1/8″甚至于1/10″发展。仿真式摄录像机的CCD为配合PAL/NTSC电视制式，像素长宽比亦为4∶3和采用隔行读取信号的方式。而专用的数字相机则强调方正像素(可减少信号处理所需的时间)及逐行扫描(可提升取像的速度)。 由于CCD有好的影像品质、高灵敏度与高分辨率，因此目前在高、中档的影像应用主要是CCD，而对于一些新兴产品，如PC相机、移动电话等，用CCD则无法满足在电源消耗、体积等方面条件的要求。 CMOS成像器件目前主要集中于CIF与VGA等级产品。CIF等级的CMOS成像器件已由1/3″、1/4″转至1/4″至1/5″，甚至1/7″。目前1/7″的CIF等级的CMOS成像器件的耗电量已降至30mw以下，因此多应用于手机等便携式产品上。VGA等级的CMOS成像器件已由过去的1/3″至1/4″，转至1/4″至1/5″。这一等级的CMOS成像器件的耗电量由过去的300mw降至100mw左右，它主要应用于PC相机，其次在DSC、PHS及TOY也有应用。 由于CMOS成像器件的体积小、耗电低，也用于保安隐蔽式监控摄像以及作交互式玩具的“眼睛”。此外，还可开辟医疗市场应用，如CMOS用后即丢式摄像机(像药丸大小)，让患者吞下，它就会经过胃、小肠及大肠，随粪便排出体外。当摄像机穿越体内时，它会自己发光照明，每秒钟拍摄两张像片，并以无线电波传到病人皮带上挂着的记录器内。医生再把数据化的影像传送到计算机上。摄像机电池可使用8个小时，足以拍摄整个的小肠(因小肠的检查一直是“盲点”)。显然，这是CCD做不到的。 CMOS成像器件在VGA等级以上的分辨率表现，一直不如CCD来得优异，因为高像素的CMOS成像器件必须要降低噪声与提高灵敏度才能面对CCD的竞争。但CMOS成像器还可利用它的优势，即结合感光与影像处理以及辨识功能，使它成为一种高附加价值的智能型影像传感器，而应用在一些较特殊的用途上，如机器视觉、人体面貌与指纹识别、动态检测等。 结语 根据以上所述，将固体光电成像器件CMOS与CCD的比较归纳如表1所示。 由1表看出，CMOS图像传感器与CCD相比有很多突出的特点，如体积小、功耗低、成本低、能单芯片集成系统、能随机存取、无损读取、抗光晕图像无拖尾、高帧速、高动态范围等。因此，CMOS图像传感器有着不可抗拒的广阔的市场诱惑力和良好的发展前景。
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