CMOS和CCD图像传感器的区别比较

CCD和CMOS图像传感器作为固体图像传感器领域的竞争对手，两者在性能表现上各有优劣。

（一）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CMOS图像传感器高30%～50%。这主要是因为CCD像素单元耗尽区深度可达10nm，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，且釆用低电阻率硅片须保持低工作电压，像素单元耗尽区深度只有1～2mm，其吸收截止波长小于650nm，导致像素单元对红光及近红外光吸收困难。

（二）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图像传感器在像素单元中釆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。

（三）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。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，这些噪声即使通过釆用外电路进行信号处理、芯片冷却、釆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。

（四）响应均匀性

由于硅片工艺的微小变化、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）2种环境条件。CMOS图像传感器由于每个像素单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，且随着像素单元尺寸进一步缩小，差异将进一步扩大，使得在有光照和暗环境2种条件下CMOS图像传感器的响应均匀性较CCD有较大差距。

（五）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/cm2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。

（六）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素单元尺寸缩小的限制。(www.xing528.com)

CMOS图像传感器在每个像素单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素单元中的晶体管数量，压缩感光区的面积。

因此其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。这种方式减少了像素单元中的晶体管数，但在高性能应用中运动目标会出现明显的图像变形。此外可采用较大尺寸的像素单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。

（七）速度

由于大部分相机电路可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，信号读出釆用X-Y寻址方式，CMOS图像传感器工作速度优于CCD。通常的CCD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。CMOS图像传感器的设计者将模数转换（ADC）作在每个像素单元中，使CMOS图像传感器信号读出速率可达1000Mpixels/s。

（八）开窗口

CMOS图像传感器由于信号读出釆用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由于其顺序读出伯号结构决定了它在画面开窗口的能力会受到限制。

（九）抗晕能力

抗晕能力指将过度曝光产生的多余电荷排出像素单元，不影响画面其他部分的能力。通常的CMOS的像素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。

（十）偏置与功耗

CMOS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。

（十一）抗辐射性

由于CCD的像素单元由MOS电容构成，电荷激发的量子效应易受辐射线的影响，而CMOS图像传感器的像素单元由光电二极管构成，因此CMOS图像传感器的抗辐射能力比CCD大10余倍，有利于军用和强辐射应用。