CCD與CMOS圖像傳感器的技術(shù)特點(diǎn)分析

　　在圖像傳感器類別中，CCD是應(yīng)用在攝影攝像方面的高端技術(shù)元件，CMOS則應(yīng)用于較低影像品質(zhì)的產(chǎn)品中，它的優(yōu)點(diǎn)是制造成本較CCD更低，功耗也低得多，這也是市場上很多采用USB接口的產(chǎn)品無須外接電源且價格便宜的原因。盡管在技術(shù)上有較大的不同，但CCD和CMOS兩者性能差距不是很大，只是CMOS攝像頭對光源的要求要高一些，但現(xiàn)在該問題已經(jīng)基本得到解決。目前CCD元件的尺寸多為1/3英寸或者1/4英寸，在相同的分辨率下，宜選擇元件尺寸較大的為好。

　　圖像傳感器應(yīng)用范圍

　　圖像傳感器屬于光電產(chǎn)業(yè)里的光電元件類，隨著數(shù)碼技術(shù)、半導(dǎo)體制造技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)的迅速發(fā)展，目前市場和業(yè)界都面臨著跨越各平臺的視訊、影音、通訊大整合時代的到來，勾劃著未來人類的日常生活的美景。

　　在日常生活中的應(yīng)用，數(shù)碼相機(jī)產(chǎn)品的發(fā)展速度可以用日新月異來形容。短短的幾年，數(shù)碼相機(jī)就由幾十萬像素，發(fā)展到400、500萬像素甚至更高。不僅在發(fā)達(dá)的歐美國家，數(shù)碼相機(jī)已經(jīng)占有很大的市場，就是在發(fā)展中的中國，數(shù)碼相機(jī)的市場也在以驚人的速度增長，因此，其關(guān)鍵零部件——圖像傳感器產(chǎn)品就成為當(dāng)前以及未來業(yè)界關(guān)注的對象，吸引著眾多廠商投入。以產(chǎn)品類別區(qū)分，圖像傳感器產(chǎn)品主要分為CCD、CMOS以及CIS傳感器三種。本文將主要簡介CCD以及CMOS傳感器的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀。

　　CCD圖像傳感器

　　CCD(ChargedCoupledDevice)于1969年在貝爾試驗(yàn)室研制成功，其發(fā)展歷程已經(jīng)將近40多年，從初期的10多萬像素已經(jīng)發(fā)展至目前主流應(yīng)用的500萬像素。CCD又可分為線型(Linear)與面型(Area)兩種，其中線型應(yīng)用于影像掃瞄器及傳真機(jī)上，而面型主要應(yīng)用于數(shù)碼相機(jī)(DSC)、攝錄影機(jī)、監(jiān)視攝影機(jī)等多項(xiàng)影像輸入產(chǎn)品上。

　　一般認(rèn)為，CCD傳感器有以下優(yōu)點(diǎn)：

　　●高解析度(HighResolution)：

　　像點(diǎn)的大小為μm級，可感測及識別精細(xì)物體，提高影像品質(zhì)。從早期1寸、1/2寸、2/3寸、1/4寸到最近推出的1/9寸，像素數(shù)目從初期的10多萬增加到現(xiàn)在的400～500萬像素。

　　●低雜訊(LowNoise)，高敏感度：CCD具有很低的讀出雜訊和暗電流雜訊，因此提高了信噪比(SNR)，同時又具高敏感度，很低光度的入射光也能偵測到，其訊號不會被掩蓋，使CCD的應(yīng)用較不受天候拘束。

　　●動態(tài)范圍廣(HighDynamicRange)：同時偵測及分辨強(qiáng)光和弱光，提高系統(tǒng)環(huán)境的使用范圍，不因亮度差異大而造成信號反差現(xiàn)象。

　　●良好的線性特性曲線(Linearity)：入射光源強(qiáng)度和輸出訊號大小成良好的正比關(guān)系，物體資訊不致?lián)p失，降低信號補(bǔ)償處理成本。

　　●高光子轉(zhuǎn)換效率(HighQuantumEfficiency)：很微弱的入射光照射都能被記錄下來，若配合影像增強(qiáng)管及投光器，即使在暗夜遠(yuǎn)處的景物仍然還可以偵測到。

　　●大面積感光(LargeFieldofView)：利用半導(dǎo)體技術(shù)已可制造大面積的CCD芯片晶片，目前與傳統(tǒng)底片尺寸相當(dāng)?shù)?5mm的CCD已經(jīng)開始應(yīng)用在數(shù)碼相機(jī)中，成為取代專業(yè)有利光學(xué)相機(jī)的關(guān)鍵元件。

　　●光譜響應(yīng)廣(BroadSpectralResponse)：能檢測很寬波長范圍的光，增加系統(tǒng)使用彈性，擴(kuò)大系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域。

　　●低影像失真(LowImageDistortion)：使用CCD感測器，其影像處理不會有失真的情形，使原物體資訊忠實(shí)地反應(yīng)出來。

　　●體積小、重量輕。CCD具備體積小且重量輕的特性，因此，可容易地裝置在人造衛(wèi)星及各式導(dǎo)航系統(tǒng)上。

　　●低耗電力，不受強(qiáng)電磁場影響。

　　●電荷傳輸效率佳：該效率系數(shù)影響信噪比、解像率，若電荷傳輸效率不佳，影像將變得較模糊。

　　●可大批量生產(chǎn)，品質(zhì)穩(wěn)定，堅(jiān)固，不易老化，使用方便及保養(yǎng)容易。CCD產(chǎn)業(yè)前七大廠商皆為日系廠商，占了全球98.5%的市場份額，在技術(shù)發(fā)展方面，目前較有特色的主要廠商為索尼、飛利普和柯達(dá)公司。

　　各公司在CCD產(chǎn)品方面的優(yōu)勢飛利普公司具有業(yè)界最大尺寸的CCD傳感器，在數(shù)碼相機(jī)的應(yīng)用中，其35mm尺寸的CCD已經(jīng)應(yīng)用在“Contax”的數(shù)碼相機(jī)中，成為專業(yè)數(shù)碼相機(jī)的代言人。其次該公司還具有獨(dú)特的“Frame-TransferCCD”(面掃描)技術(shù)，該產(chǎn)品在應(yīng)用中，可實(shí)現(xiàn)每秒30-60幅的速率。這是真正視頻信號的速度。

　　柯達(dá)的CCD采用了廣受好評的ITOCCD(氧化銦錫)技術(shù)，而不是傳統(tǒng)的聚硅化合物。其特點(diǎn)是敏銳度更高，般CCD感應(yīng)較弱的藍(lán)光以及抗雜訊干擾方面有突破性的改善，其對藍(lán)光感應(yīng)能力提高了2.5倍，同時大幅降低了雜訊干擾，使影像更強(qiáng)銳利、色彩更加準(zhǔn)確，透光性比一般CCD提高了20%，對于一為專業(yè)數(shù)碼攝影提供了高解析度、銳利度的影像。

　　傳統(tǒng)CCD使用的是矩形的感光單元，而富士公司2年前研制的“SuperCCD(超級蜂窩結(jié)構(gòu))使用的是八邊形的感光單元，使用了蜂巢的八邊形結(jié)構(gòu)，因此其感光單元面積要

　　高于傳統(tǒng)CCD。這樣會獲得三個好處，一是可以提高CCD的感光度，二是提高動態(tài)范圍，三是提高了信噪比。這三個優(yōu)點(diǎn)加上SuperCCD更高的生成像素，成為富士公司在數(shù)碼相機(jī)產(chǎn)品上的最大賣點(diǎn)。

　　CMOS圖像傳感器

　　CMOS圖像傳感器于80年代發(fā)明以來，由于當(dāng)時CMOS工藝制程的技術(shù)不高，以致于傳感器在應(yīng)用中的雜訊較大，商品化進(jìn)程一直較慢。時至今日，CMOS傳感器的應(yīng)用范圍也開始非常的廣泛，包括數(shù)碼相機(jī)、PCCamera、影像電話、第三代手機(jī)、視訊會議、智能型保全系統(tǒng)、汽車倒車?yán)走_(dá)、玩具，以及工業(yè)、醫(yī)療等用途。在低檔產(chǎn)品方面，其畫質(zhì)質(zhì)量已接近低檔CCD的解析度，相關(guān)業(yè)者希望用CMOS器件取代CCD的努力正在逐漸明朗。CMOS傳感器有可細(xì)分為：被動式像素傳感器CMOS與主動式像素傳感器CMOS。

　　與CCD相比，CMOS具有體積小，耗電量不到CCD的十分之一，售價也比CCD便宜三分之一的優(yōu)點(diǎn)。與CCD產(chǎn)品相比，CMOS是標(biāo)準(zhǔn)工藝制程，可利用現(xiàn)有的半導(dǎo)體設(shè)備，不需額外的投資設(shè)備，且品質(zhì)可隨著半導(dǎo)體技術(shù)的提升而進(jìn)步。同時，全球晶圓廠的CMOS生產(chǎn)線較多，日后量產(chǎn)時也有利于成本的降低。

　　另外，CMOS傳感器的最大優(yōu)勢，是它具有高度系統(tǒng)整合的條件。理論上，所有圖像傳感器所需的功能，例如垂直位移、水平位移暫存器、時序控制、CDS、ADC等，都可放在集成在一顆晶片上，甚至于所有的晶片包括后端晶片(Back-endChip)、快閃記憶體(FlashRAM)等也可整合成單晶片(SYSTEM-ON-CHIP)，以達(dá)到降低整機(jī)生產(chǎn)成本的目的。

　　正因?yàn)榇耍壳巴度胙邪l(fā)、生產(chǎn)的廠商較多，美國有30多家，歐洲7家，日本約8家，韓國1家，臺灣有8家。而居全球翹楚地位的廠商是Agilent(HP)，其市場占有率51%、ST(VLSIVision)占16%、OmniVision占13%、現(xiàn)代占8%、Photobit約占5%，這五家合計(jì)市占率達(dá)93%。

　　在快速發(fā)展的手機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域中，以CMOS圖像傳感器為主的攝相模塊將占領(lǐng)80%以上的應(yīng)用市場。在業(yè)界，與CCD傳感器不同的另一點(diǎn)是CMOS目前占據(jù)市場主要地位的是北美廠商，前三大廠商為Agilent、OmniVision和Photobit。因此圖像傳感器業(yè)界的技術(shù)、產(chǎn)業(yè)競爭，實(shí)質(zhì)上是日本和北美爭霸的局面。

　　從產(chǎn)品的技術(shù)發(fā)展趨勢看，無論是CCD還是CMOS，其體積小型化及高像素化仍是業(yè)界積極研發(fā)的目標(biāo)。因?yàn)橄袼卮髣t圖像產(chǎn)品的分辨率越高，清晰度越好，體積越小，其應(yīng)用面更廣泛。