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CCD与CMOS图像传感器的技术特点分析

供稿:中国工控网 2016/8/18 9:00:41

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  • 关键词: CCD CMOS 图像传感器
  • 摘要:本文对CCD与CMOS图像传感器的技术特点进行了详细的分析,供参考。

  在图像传感器类别中,CCD是应用在摄影摄像方面的高端技术元件,CMOS则应用于较低影像品质的产品中,它的优点是制造成本较CCD更低,功耗也低得多,这也是市场上很多采用USB接口的产品无须外接电源且价格便宜的原因。尽管在技术上有较大的不同,但CCD和CMOS两者性能差距不是很大,只是CMOS摄像头对光源的要求要高一些,但现在该问题已经基本得到解决。目前CCD元件的尺寸多为1/3英寸或者1/4英寸,在相同的分辨率下,宜选择元件尺寸较大的为好。

  图像传感器应用范围

  图像传感器属于光电产业里的光电元件类,随着数码技术、半导体制造技术以及网络的迅速发展,目前市场和业界都面临着跨越各平台的视讯、影音、通讯大整合时代的到来,勾划着未来人类的日常生活的美景。

  在日常生活中的应用,数码相机产品的发展速度可以用日新月异来形容。短短的几年,数码相机就由几十万像素,发展到400、500万像素甚至更高。不仅在发达的欧美国家,数码相机已经占有很大的市场,就是在发展中的中国,数码相机的市场也在以惊人的速度增长,因此,其关键零部件——图像传感器产品就成为当前以及未来业界关注的对象,吸引着众多厂商投入。以产品类别区分,图像传感器产品主要分为CCD、CMOS以及CIS传感器三种。本文将主要简介CCD以及CMOS传感器的技术和产业发展现状。

  CCD图像传感器

  CCD(ChargedCoupledDevice)于1969年在贝尔试验室研制成功,其发展历程已经将近40多年,从初期的10多万像素已经发展至目前主流应用的500万像素。CCD又可分为线型(Linear)与面型(Area)两种,其中线型应用于影像扫瞄器及传真机上,而面型主要应用于数码相机(DSC)、摄录影机、监视摄影机等多项影像输入产品上。

  一般认为,CCD传感器有以下优点:

  ●高解析度(HighResolution):

  像点的大小为μm级,可感测及识别精细物体,提高影像品质。从早期1寸、1/2寸、2/3寸、1/4寸到最近推出的1/9寸,像素数目从初期的10多万增加到现在的400~500万像素。

  ●低杂讯(LowNoise),高敏感度:CCD具有很低的读出杂讯和暗电流杂讯,因此提高了信噪比(SNR),同时又具高敏感度,很低光度的入射光也能侦测到,其讯号不会被掩盖,使CCD的应用较不受天候拘束。

  ●动态范围广(HighDynamicRange):同时侦测及分辨强光和弱光,提高系统环境的使用范围,不因亮度差异大而造成信号反差现象。

  ●良好的线性特性曲线(Linearity):入射光源强度和输出讯号大小成良好的正比关系,物体资讯不致损失,降低信号补偿处理成本。

  ●高光子转换效率(HighQuantumEfficiency):很微弱的入射光照射都能被记录下来,若配合影像增强管及投光器,即使在暗夜远处的景物仍然还可以侦测到。

  ●大面积感光(LargeFieldofView):利用半导体技术已可制造大面积的CCD芯片晶片,目前与传统底片尺寸相当的35mm的CCD已经开始应用在数码相机中,成为取代专业有利光学相机的关键元件。

  ●光谱响应广(BroadSpectralResponse):能检测很宽波长范围的光,增加系统使用弹性,扩大系统应用领域。

  ●低影像失真(LowImageDistortion):使用CCD感测器,其影像处理不会有失真的情形,使原物体资讯忠实地反应出来。

  ●体积小、重量轻。CCD具备体积小且重量轻的特性,因此,可容易地装置在人造卫星及各式导航系统上。

  ●低耗电力,不受强电磁场影响。

  ●电荷传输效率佳:该效率系数影响信噪比、解像率,若电荷传输效率不佳,影像将变得较模糊。

  ●可大批量生产,品质稳定,坚固,不易老化,使用方便及保养容易。CCD产业前七大厂商皆为日系厂商,占了全球98.5%的市场份额,在技术发展方面,目前较有特色的主要厂商为索尼、飞利普和柯达公司。


                                                                         

  各公司在CCD产品方面的优势飞利普公司具有业界最大尺寸的CCD传感器,在数码相机的应用中,其35mm尺寸的CCD已经应用在“Contax”的数码相机中,成为专业数码相机的代言人。其次该公司还具有独特的“Frame-TransferCCD”(面扫描)技术,该产品在应用中,可实现每秒30-60幅的速率。这是真正视频信号的速度。

  柯达的CCD采用了广受好评的ITOCCD(氧化铟锡)技术,而不是传统的聚硅化合物。其特点是敏锐度更高,般CCD感应较弱的蓝光以及抗杂讯干扰方面有突破性的改善,其对蓝光感应能力提高了2.5倍,同时大幅降低了杂讯干扰,使影像更强锐利、色彩更加准确,透光性比一般CCD提高了20%,对于一为专业数码摄影提供了高解析度、锐利度的影像。

  传统CCD使用的是矩形的感光单元,而富士公司2年前研制的“SuperCCD(超级蜂窝结构)使用的是八边形的感光单元,使用了蜂巢的八边形结构,因此其感光单元面积要

  高于传统CCD。这样会获得三个好处,一是可以提高CCD的感光度,二是提高动态范围,三是提高了信噪比。这三个优点加上SuperCCD更高的生成像素,成为富士公司在数码相机产品上的最大卖点。

  CMOS图像传感器

  CMOS图像传感器于80年代发明以来,由于当时CMOS工艺制程的技术不高,以致于传感器在应用中的杂讯较大,商品化进程一直较慢。时至今日,CMOS传感器的应用范围也开始非常的广泛,包括数码相机、PCCamera、影像电话、第三代手机、视讯会议、智能型保全系统、汽车倒车雷达、玩具,以及工业、医疗等用途。在低档产品方面,其画质质量已接近低档CCD的解析度,相关业者希望用CMOS器件取代CCD的努力正在逐渐明朗。CMOS传感器有可细分为:被动式像素传感器CMOS与主动式像素传感器CMOS。

  与CCD相比,CMOS具有体积小,耗电量不到CCD的十分之一,售价也比CCD便宜三分之一的优点。与CCD产品相比,CMOS是标准工艺制程,可利用现有的半导体设备,不需额外的投资设备,且品质可随著半导体技术的提升而进步。同时,全球晶圆厂的CMOS生产线较多,日后量产时也有利于成本的降低。

  另外,CMOS传感器的最大优势,是它具有高度系统整合的条件。理论上,所有图像传感器所需的功能,例如垂直位移、水平位移暂存器、时序控制、CDS、ADC等,都可放在集成在一颗晶片上,甚至于所有的晶片包括后端晶片(Back-endChip)、快闪记忆体(FlashRAM)等也可整合成单晶片(SYSTEM-ON-CHIP),以达到降低整机生产成本的目的。

  正因为此,目前投入研发、生产的厂商较多,美国有30多家,欧洲7家,日本约8家,韩国1家,台湾有8家。而居全球翘楚地位的厂商是Agilent(HP),其市场占有率51%、ST(VLSIVision)占16%、OmniVision占13%、现代占8%、Photobit约占5%,这五家合计市占率达93%。

  在快速发展的手机应用领域中,以CMOS图像传感器为主的摄相模块将占领80%以上的应用市场。在业界,与CCD传感器不同的另一点是CMOS目前占据市场主要地位的是北美厂商,前三大厂商为Agilent、OmniVision和Photobit。因此图像传感器业界的技术、产业竞争,实质上是日本和北美争霸的局面。

  从产品的技术发展趋势看,无论是CCD还是CMOS,其体积小型化及高像素化仍是业界积极研发的目标。因为像素大则图像产品的分辨率越高,清晰度越好,体积越小,其应用面更广泛。

                                   

审核编辑(王静)
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