CCD与CMOS图像传感器的比较分析

（一）CCD

CCD（Charge Coupled Device）称为电荷耦合器件，是利用内光电效应（Internal Photoelectric Effect）把输入的光信号转换为电信号输出的一种以大规模集成电路制作的光电器件。它由一行行紧密排列在硅衬底上的MOS电容器构成。图3-56为MOS（金属-氧化物-半导体）结构，即在一个P型硅衬底上，热氧化生成一层约120nm的SiO2层，再在SiO2层上淀积金属铝构成一个孤立的MOS电容器，电容器间隔l～3μm。当有光照射在CCD光敏单元上时，硅层产生电子空穴对，多数载流子被电势排斥，而少数的载流子被收集在电势场中，形成光生电荷。

CCD的工作过程主要由以下几个动作构成：首先，受光面上将被测物体通过光学系统成像，受光面上的光敏小单元把该像转换成电荷信号；其次，将这些电荷信号存储在光敏单元中；再次，在时间序列控制下，将所存储的电荷有序地转移传输；最后将信号电荷转换成电信号输出。

CCD的种类繁多，有一维线阵器件，它是把CCD像素排成一直线，常用于光学频谱读出，图像分辨率高；有二维的面阵器件，它是把CCD像素排成一个平面，作为固体显像管，用于黑白电视摄像机；还有三片式的（红、绿、蓝）彩色摄像机，进而又研制了二片式、单片式的彩色摄像机。随着现代科学技术的发展，尤其是国防、公安刑侦、医疗影像和天文观测等现代科学技术的发展，对CCD图像传感器的某些性能提出越来越高的要求，仅靠CCD自身的性能提高已经远远满足不了现代科学技术的需要。因此，人们将CCD与其他器件组合在一起成为具有一些特殊功能的图像传感器件，统称为特种CCD图像传感器：有可用于夜视的微光CCD图像传感器，如军用装备上的微光电视摄像系统；用于军用夜视、跟踪与制导、红外侦察、预警的红外CCD图像传感器；用于医疗影像分析和工业探视技术的X光CCD图像传感器等。

CCD传感器具有高灵敏度、低暗电流和低噪声等优点，缺点是CCD传感器的系统功耗大，很难实现单片系统集成。CCD光敏单元阵列难于与驱动电路及信号处理电路单片集成；不易处理一些模拟和数字功能，这些功能包括模-数转换器、精密放大器、存储器、运算单元等元件的功能；CCD阵列驱动脉冲复杂，需要使用相对高的工作电压。

（二）CMOS(www.xing528.com)

CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）称为金属氧化物半导体元件。它和CCD几乎是同时出现的，两者感光产生信号的基本动作相同，它们的光谱响应和量子效率基本相同，光敏单元和电荷存储容量也相近，而且都采用硅材料制作。但两者的结构和制作的工艺方法不同，性能也有很大的差异。CMOS图像传感器是由光敏二极管、MOS场效应晶体管、MOS放大器和MOS开关电路在同一芯片上集成所构成的，它的制作工艺使用了P型基板，2～3层配线；而CCD是由光敏二极管、读出栅极等构成，且它的驱动、接口、逻辑和A-D转换电路必须在器件外设置，而它的制造工艺采用N型基板，与遮光膜共用一层配线。相比之下，CMOS图像传感器具有功耗低、系统尺寸小、可将信号处理电路与传感器集成在一个芯片上等优点，但其暗电流和噪声较大，灵敏度较低。

CMOS图像传感器是将用于图像采集的光敏单元阵列和信号处理电路集成在一片硅片上的成像器件。按水平X方向和垂直Y方向布阵的光敏单元受到光的照射，发生光电效应，产生光生电荷，将该光电信号经放大器放大后，再利用XY地址方式进行选择，取出信号电压或电流，送入多路模拟开关输出。输出的信号再经总线传输给右端的信号处理电路经A-D转换、预处理电路后通过接口电路输出数字信号。整个电路由时序脉冲电路提供驱动脉冲，并受接口电路输入的同步控制信号控制。

CMOS传感器的图像质量较CCD的差，主要体现在它的光照灵敏度较低，噪声电流较大，导致其动态范围、信噪比等关键的性能参数上较CCD略逊一筹。但近年来随着CMOS技术的快速发展，CMOS传感器较CCD在系统集成度高、成本低、功耗小、抗辐照能力强、图像信息选择读取等方面的优势日益突显，以及CCD器件自身固有缺陷的暴露，使得CMOS传感器的应用越来越广泛，目前已占据90%以上的市场份额。随着在CMOS图像传感器上使用全局快门像素技术等一些传统技术障碍的克服，CMOS传感器在机器视觉、电影制作、工业、汽车和扫描等要求必须以高图像品质捕捉快速移动的物体的领域得到应用。

如应用高速CMOS图像传感器制造的高速摄像头，可用于科研、汽车碰撞检测、高速扫描、机器视觉和军事研究等要求较高的帧速率运动捕获的领域。传感器分辨率从VGA级直到1万像素不等，有的能以每秒10000次全帧速率工作，最快速度器件的帧速率可达每秒170000帧，输出可高达每秒5000万次的采样速率，这样就能实现每秒55亿像素的吞吐量，图像质量至少达到10位精度。目前，CMOS是高速成像所青睐的技术。在当前市场中，可以发现高速图像传感器有三大发展趋势，一是向极高速方向发展；二是向片上特性集成（SoC）方向发展；三是向通用高速图像传感器方向发展。

图像传感器的一个典型应用示例是在数码相机中的应用。光学成像系统将图像成像在图像传感器的像敏面上，像敏面将照在每一个像敏单元（像素）上的图像照度信号转变为少数载流子数密度信号，再转移到图像传感器的移位寄存器转移电极下的势阱中，在转移脉冲的作用下顺序地移出器件，成为图像信号，此时图像传感器完成了光学信号到图像模拟电压信号的转化，再经传感器内置A-D转换器，将模拟信号转换为数字信号输出并送入到微处理器中。微处理器是控制全系统的核心部件，接收各传感器数据和用户操作指令，驱动执行机构等；ROM中存储控制数码相机动作的程序；DRAM中存储图像数据；一般还有一个专用DSP处理器，用于图像的处理，如压缩、数据传输等。