CMOS与CCD图像传感器分析：技术比较与优劣

CCD 图像传感器由贝尔实验室(AT&T Bell Labs)的Willard Boyle 和George E.Smith 于1969年发明。各类CMOS 图像传感器则主要在20世纪80年代末至90年代初实现了理论与技术的完善。CMOS 图像传感器分为像素具有信号放大功能的APS(Active Pixel Sensor，有源像素传感器)，以及像素不具备信号放大功能的PPS(Passive Pixel Sensor，无源像素传感器)。目前绝大部分的CMOS 图像传感器属于有源像素传感器，因此本章讨论的CMOS 传感器均指APS 型CMOS 图像传感器。

CCD 图像传感器与CMOS 图像传感器的光电转换原理基本相同，两者的主要区别在于制造工艺方面：尽管都是基于MOS 构造，但是CCD 图像传感器使用的是以光电二极管和CCD 为核心的特有构造，而CMOS 图像传感器则大多使用基于DMOS LSI 的标准制造工艺。两种制造工艺方面的差异主要是由于CCD 图像传感器与CMOS 图像传感器在构成方面采用了不同的思路。CCD 图像传感器的像素在完成光电转换后，信号电荷在驱动电路驱动下依次转移到输出端，并在输出端的FD 放大器中完成信号放大与输出。CMOS 传感器则将放大器集成在每个像素单元中，每个像素完成光电转换后的信号电荷经过集成在像素中的放大器放大后，经扫描电路的驱动完成信号输出，且在输出前通常由集成在传感器内的A/D 转换器完成了图像信号的A/D 转换。两者的结构框架分别如图16-1 和图16-2 所示。

图16-1 CCD 图像传感器结构框架

图16-2 CMOS 图像传感器结构框架

CCD 图像传感器与CMOS 图像传感器经历了交替赶超的发展过程。早在CCD 图像传感器发明前，可被视为CMOS 图像传感器前身的APS 就已经诞生。CCD 图像传感器发明并实用化后逐渐成为图像传感器主流，而近年来CMOS 图像传感器获得高速发展并大有取代CCD 之势。CCD 图像传感器与CMOS 图像传感器在性能运用方面存在不同的特性，主要表现在以下几方面。(www.xing528.com)

(1)感光度：CMOS 图像传感器在感光度上不如CCD 图像传感器。其原因主要是CMOS图像传感器采用的CMOS LSI 制造工艺难以达到光电二极管的最优化，而CCD 图像传感器在几十年的发展过程中在感光度方面积累了比较成熟的技术。

(2)信噪比：影响图像传感器信噪比的主要因素为图像传感器内放大器的性能。对于CCD 图像传感器，每个像素的电荷信息通过传感器边缘的同一个FD 放大器进行放大，噪声主要取决于FD 放大器；而对于CMOS 图像传感器，每个像素单元的光电二极管都经过像素内集成的放大器进行放大，因此噪声主要取决于晶体管性能。由于CMOS 图像传感器不同像素内放大器性能无法完全一致，并且采用CMOS LSI 制造工艺的CMOS 图像传感器暗电流大于采用专用制造技术的CCD 图像传感器，因此CCD 图像传感器的信噪比优于CMOS 图像传感器。

(3)漏光：CCD 图像传感器在信号电荷转移期间，由于入射光线反射、衍射产生光电转换、扩散电流、遮光部分光穿透等原因，在理论上比较容易产生漏光，进而产生噪声并影响成像质量。而CMOS 图像传感器的结构，保证了其难以产生漏光现象，漏光影响可以忽略。

(4)动态范围：CCD 图像传感器的光电二极管占有率较高，且信噪比高于CMOS 图像传感器，因此具有较大的动态范围。而CMOS 图像传感器容易发生混色问题，限制了其动态范围。

(5)分辨率：CMOS 图像传感器的像素结构较为复杂。尽管CMOS 图像传感器的芯片集成度较高，但其每个像素的尺寸仍大于CCD 图像传感器的像素尺寸。因此在传感器尺寸相同的情况下，CCD 图像传感器的分辨率高于CMOS 图像传感器。

(6)电源与功耗：CCD 图像传感器所需的电源较为复杂，一般来讲，为准确驱动信号电荷进行转移，需要用到VH、VM、VL 三种电平，其所需的电源数量较多，电源电路复杂；而CMOS 图像传感器一般只需一种电源即可。在功耗方面，CCD 图像传感器的驱动电路与FD 放大器上均需要施加较高的电压，因此功耗高于CMOS 传感器。

综上所述，CCD 图像传感器与CMOS 图像传感器在特性与使用上各有特色。尽管CMOS图像传感器在集成度、功耗、防漏光等方面相比CCD 图像传感器有比较明显的优势，但在动态范围、分辨率、信噪比、感光度等方面与CCD 图像传感器仍存在一定的差距。尽管CMOS 图像传感器近几年高速发展，在大部分性能上与CCD 图像传感器的差距正在快速缩小，但综合系统各方面考虑，本系统选用CCD 图像传感器。