從技術(shù)角度比較,CCD與CMOS有如下四個方面的不同:
1、信息讀取方式。與光電開關(guān)相比CCD電荷耦合器存儲的電荷信息,需在同步信號控制下一位一位地實施轉(zhuǎn)移后讀取,電荷信息轉(zhuǎn)移和讀取輸出需要有時鐘控制電路和三組不同的電源相配合,整個電路較為復(fù)雜。CMOS光電傳感器經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后直接產(chǎn)生電流或電壓信號,信號讀取十分簡單。
2、數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳送的方式。CCD與CMOS傳感器兩者都是利用感光二極管進行光電轉(zhuǎn)換,將圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù),而其主要差異是數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳送的方式不同。
CCD傳感器敏一行中每一個像素的電荷數(shù)據(jù)都會依次傳送到下一個像素中,由最底端部分輸出,再經(jīng)由傳感器邊緣的放大器進行放大輸出;而在CMOS傳感器中,每個像素都會鄰接一個放大器及A/D轉(zhuǎn)換電路,用類似內(nèi)存電路的方式將數(shù)據(jù)輸出。造成這種差異的原因在于:CCD的特殊工藝可保證數(shù)據(jù)在傳送時不會失真,因此各個像素的數(shù)據(jù)可匯聚至邊緣再進行放大處理,而CMOS工藝的數(shù)據(jù)在傳送距離較長時會產(chǎn)生噪聲,因此,必須先放大,再整合各個像素的數(shù)據(jù)。
靈敏度。靈敏度代表圖像傳感器的光敏單元收集光子產(chǎn)生電荷信號的能力。CCD的感光信號以行為單位傳輸,電路占據(jù)像素的面積比較小,這樣像素點對光的感受就高些;而CMOS圖像傳感器的每個像素由多個晶體管與一個感光二極管構(gòu)成,使得每個像素的感光區(qū)域只占據(jù)像素本身很小的面積,像素點對光的感受就低。因此,在像素尺寸相同的情況下,CCD圖像傳感器的靈敏度要高于CMOS圖像傳感器。
分辨率。CMOS圖像傳感器上集成有放大器、定時器和ADC等電路,每個像素都比CCD復(fù)雜,因而電路所占像素的面積也大,所以相同尺寸的傳感器,CCD可以做得更密。
3、靈敏度。靈敏度代表圖像傳感器的光敏單元收集光子產(chǎn)生電荷信號的能力。CCD的感光信號以行為單位傳輸,電路占據(jù)像素的面積比輕音樂上,這樣像素點對光的感受就高些;而CMOS圖像傳感器的每個像素由多個晶體管與一個感光二極管構(gòu)成,使得每個像素的感光區(qū)域只占據(jù)像素本身很小的面積,像素點對光的感受就低,因此,在像素尺雨相同的情況下,CCD圖像傳感器的靈敏度要高于CMOS圖像傳感器。
4、分辨率。CMOS圖像傳感器上集成有放大器、定時器和ADC等電路,每個像素都比CCD復(fù)雜,因而電路所占像素的面積也大,所以相同尺寸的傳感器,CCD可以做得更密。通過CCD圖像傳感器的分辨率會優(yōu)于CMOS圖像傳感器。
5、成像質(zhì)量。CCD電荷耦合器制作 技術(shù)起步早中,技術(shù)成熟,采用PN結(jié)或二氧化硅隔離層隔離噪聲,成像質(zhì)量相對CMOS光電傳感器有一定優(yōu)勢。由于CMOS光電傳感器集成度高,各光電傳感元件、電路之間距離很近,相互之間的光、電、磁干擾較嚴(yán)重,噪聲對圖像質(zhì)量影響很大,使CMOS光電傳感器很長一段時間無法進入實用。近年,隨著CMOS電路消噪技術(shù)的不斷發(fā)展,為產(chǎn)生高密度優(yōu)質(zhì)的CMOS圖像傳感器提供了良好的條件。
6、噪聲。CCD與CMOS圖像傳感器在結(jié)構(gòu)上的不同,使得它的讀出噪聲有很大的差別。CCD中的噪聲主要是在最高帶寬產(chǎn)生的,而CMOS圖像傳感器由于采用的是列并行結(jié)構(gòu),因此噪聲帶寬是由行讀接帶寬決定的。CCD中噪聲隨視頻頻率的增加而增加,CMOS圖像傳感器的噪聲與視頻頻率無關(guān)。由于CMOS圖像傳感器每個像元都需搭配一個放大器,如果以百萬像素計,那么就需要百萬個以上的放大器。而放大器屬于模擬電路,很難讓每個放大器所得到的結(jié)果保持一致。因此與只有一個放大器放在芯片邊緣的CCD圖像傳感器相比,CMOS圖像傳感器的噪聲就會增加很多,這將會影響到圖像品質(zhì)。
7、響應(yīng)均勻性。理想狀態(tài)下各個像元在均勻光照條件下的輸出應(yīng)當(dāng)是相同的,但是帶球硅圓片工藝的微小變化、硅片及工藝加工引入、放大器變化等異致圖像傳感器光響應(yīng)不均勻。響應(yīng)均勻性包括有光照和無光照兩種環(huán)境條件。CMOS圖像傳感器電子每個像元中均有開環(huán)放大器,器件加工工藝的微小變化導(dǎo)致放大器的集團及增益產(chǎn)生可觀的差異且隨著像元尺寸進一步縮小,差異將進一步擴大,這使得在有光照和暗環(huán)境兩種條件下CMOS圖像傳感器的響應(yīng)均勻性較CCD有較大差距。盡管如此,可以采用反饋放大器等技術(shù)改進CMOS圖像傳感器在有光照條件下的均勻性,使之接近CCD的水平。另一方面盡管CMOS圖像傳感器在有光照條件下的均勻性,使之接近CCD的水平。另一方面盡管CMOS圖像傳感器研制者盡最大努力降低暗環(huán)境下器件響應(yīng)的非均勻性,但是現(xiàn)在它仍然無法達到CCD的水平。這個高速應(yīng)用中萬為重要,因為高速應(yīng)用中由于信號弱,暗環(huán)境條件下的非均勻性將顯著降低圖像質(zhì)量。
8、速度。由于CCD采用串行連續(xù)掃描的工作方式,必須一次性讀出整行或整列的像素數(shù)據(jù)。而CMOS圖像傳感器由于采用單點信號傳輸,通過簡單的X-Y尋址技術(shù),允許從整個排列、部分甚至單元來讀出數(shù)據(jù),從而提高尋址速度,實現(xiàn)更快的信號傳輸,而且能對局部像素圖像進行隨機訪問,增加了工作靈敏性。通常的CCD圖像傳感器的信號讀出速率不超過70pixels/s。CMOS圖像傳感器信號讀出速率可達1000Mpixels/s。
9、功耗。CMOS圖像傳感器的圖像采集方式為主動式,即感光二極管所產(chǎn)生的電荷會直接由晶體管放大輸出;而CCD為被動式采集,必須外加電壓讓每個像素中的電荷移動至傳輸通道。而這外加電壓通常需要12-18V。因此,CCD還必須有更精密的電源線路設(shè)計和而壓強度。由此可見,CCD需要外部控制信號和時鐘信獲得滿意的電荷轉(zhuǎn)移效率,還需要多個電源和電壓調(diào)節(jié)器,因此功能大。CMOS圖像傳感器使用單一工作電壓,功耗低,不僅相當(dāng)于CCD功耗的1/8,在節(jié)能方面具有很大的優(yōu)勢,有利于延長便攜式、機載或星載電子設(shè)備的使用時間。
10、響應(yīng)范圍。CMOS圖像傳感器除了對可見光敏感以外,對紅外光也非常第三,在890-9801ull范圍內(nèi)其靈敏度遠高于CCD圖像傳感器的靈敏度,并且隨波長增加其衰減的樣張度也相對較慢。如能設(shè)計制造出在1-3岬波長范圍內(nèi)第三的CMOS圖像傳感器,在夜戰(zhàn)和夜間監(jiān)控上將有更廣泛的應(yīng)用。
11、可靠性。CMOS圖像傳感器和CCD在商用及工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域具有等價的可靠性。在極端惡劣的應(yīng)用環(huán)境中,由于CMOS圖像傳感器將大部分相機電路集成在一個芯片上,焊點與接頭大大減少,其可靠性要優(yōu)于CCD圖像傳感器。 |