CCD和CMOS主要技術(shù)分析

CCD和CMOS是當(dāng)前主要的兩項(xiàng)成像技術(shù)，它們產(chǎn)生于不同的制造工藝背景，就當(dāng)前技術(shù)言仍各具優(yōu)劣。選擇CCD或CMOS攝像機(jī)應(yīng)依據(jù)適用環(huán)境和要求，合適選用CCD或CMOS技術(shù)，便能使圖像監(jiān)控達(dá)到預(yù)期的效果。另外，還可看到，COMS作為極具發(fā)展?jié)摿Φ某上窦夹g(shù)，較CCD有著更強(qiáng)勁的優(yōu)勢(shì)。本文將對(duì)CCD和CMOS主要技術(shù)作簡(jiǎn)要分析，并作出選擇判斷。

　　無(wú)論是交通抓拍，還是高清視頻監(jiān)控，只要應(yīng)用到視覺成像技術(shù)，就會(huì)涉及到感光傳感器——即CCD或CMOS成像技術(shù)。
 

　　CCD和CMOS主要技術(shù)特性比較

　　對(duì)于交通抓拍和視頻監(jiān)控，對(duì)前端成像傳感器CCD和CMOS比較關(guān)注的技術(shù)特性主要有以下幾點(diǎn)。

　　電子快門Electronic Shutter

　　電子快門用來控制芯片從開始到結(jié)束的電荷積分時(shí)間。由于CCD芯片暴露在光線下，即使把電荷轉(zhuǎn)移也還會(huì)有電荷累積。因此，如果被測(cè)的是運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，就會(huì)產(chǎn)生常說的Smear(拖影)現(xiàn)象。CCD是用行間轉(zhuǎn)移(ILT)的方式解決電荷累積問題的，每個(gè)像素被分為感光區(qū)和電荷轉(zhuǎn)移區(qū)，電荷轉(zhuǎn)移區(qū)不感光，這樣在曝光結(jié)束時(shí)先將電荷一次性轉(zhuǎn)移到轉(zhuǎn)移區(qū)，再讀出，這樣讀出過程就沒有電荷積分，不會(huì)產(chǎn)生因目標(biāo)運(yùn)動(dòng)而引起的Smear現(xiàn)象。但顯然ILT方式減少了像素的感光面積，降低了靈敏度。這時(shí)，通常在像素上增加微透鏡來收集更多的電荷。

　　CMOS芯片上電荷都是在每個(gè)像素上讀出的，不存在CCD芯片的問題，它的電子快門分Rolling shutter和Global shutter兩種，Rolling shutter通常采用的都是3T像素結(jié)構(gòu)，每次僅能對(duì)一行像素進(jìn)行曝光控制(如圖1-1)，即一行曝光后再對(duì)下一行進(jìn)行曝光，這樣就會(huì)出現(xiàn)如圖1-2所示的情形。Global shutter的芯片需要具備5T的結(jié)構(gòu)，使整幅圖像所有像素同時(shí)開始和結(jié)束曝光，圖1-3是Global shutter的成像效果。但5個(gè)光電二極管的結(jié)構(gòu)同樣減小了感光面積，這也可以通過增加微透鏡的方式來彌補(bǔ)。

　　幀率：Frame Rate

　　另外一個(gè)需要重點(diǎn)考慮的是幀率。對(duì)于CCD感光器來說，抓拍和監(jiān)控速度主要受制于電荷的讀出速度，讀出時(shí)鐘又決定了電荷讀出速度的快慢，分辨率越高，CCD芯片讀出的速度就越慢。實(shí)際上，讀出時(shí)鐘的上限取決于光-電轉(zhuǎn)換的讀出放大器的帶寬，更高的讀出速率要求有更寬的帶寬;但另一方面，帶寬越大又會(huì)帶來更多的噪聲，同時(shí)高速高帶寬的讀出放大器功率也會(huì)增加。因此，對(duì)CCD感光器而言，高速是在像素分辨率、噪聲、功耗之間的平衡。多通道可以在一定程度上解決讀出速度的問題，將圖像分成多個(gè)區(qū)域，分別用讀出放大器讀出，再進(jìn)行拼合。由于多通道電路使攝像機(jī)體積更大、功耗更高，故不適合于所有應(yīng)用。

　　對(duì)于CMOS芯片而言，以單個(gè)像素為單位將電荷轉(zhuǎn)化為電壓，讀出放大器就不再需要提高速度來支持更高的幀率。因此，CMOS芯片更易獲得更高幀率。與此同時(shí)，與CCD不一樣，CMOS得到的圖像數(shù)據(jù)能夠清零而無(wú)需被讀出。這就解決了機(jī)器視覺系統(tǒng)僅對(duì)圖像里感興趣區(qū)域成像、只需讀出部分圖像信息的問題。當(dāng)只需讀出感興趣區(qū)域的應(yīng)用場(chǎng)合，CMOS芯片能夠在不增加像素頻率的基礎(chǔ)上支持更高的幀率。

　　微光成像(低照度成像)Low-light Operation

　　當(dāng)需要在微光下成像時(shí)，CCD和CMOS感光器采用的技術(shù)是不同的，在微光條件下，讀出放大器非常重要，CCD采用統(tǒng)一的放大器讀出，相應(yīng)的，一致性比CMOS要好。微光條件意味著信號(hào)和噪聲的量級(jí)接近，噪聲對(duì)圖像的質(zhì)量影響會(huì)很大。每個(gè)CMOS感光器像素上的讀出放大器都是低帶寬放大器，比CCD感光器中用的高帶寬放大器噪聲更小，因此，可以通過提高信號(hào)增益來獲得更好的信噪比。而通常CCD比CMOS的填充因子要高，同樣條件下收集的電荷數(shù)會(huì)更多。同時(shí)CCD可以通過電荷倍增技術(shù)，在讀出前，通過多級(jí)的電荷倍增，每次增加小幅度增益，獲得更高的信噪比。此外，像素組合功能(Binning)也可以提高CCD的靈敏度，對(duì)N個(gè)像素進(jìn)行Binning可將信噪比提升N倍。CMOS也可以進(jìn)行類似的Binning，往往是對(duì)相鄰像素電壓信號(hào)進(jìn)行采樣疊加，由于采樣也會(huì)引入一定的隨機(jī)噪聲，因此，CMOS中對(duì)N個(gè)像素進(jìn)行Binning所得的信噪比的提升只能達(dá)到倍。非可見光成像Other Wavelenghs

　　CCD和CMOS感光器在對(duì)可見光以外的光譜成像方面也有很大的不同，如紅外光(IR)射到傳感芯片上時(shí)會(huì)比可見光打得更深，因此要想充分收集這些電荷，就需要將硅襯底做得更厚些。這對(duì)于CCD芯片，在工藝上會(huì)容易些。而對(duì)于CMOS，工藝還會(huì)有些問題。將感光部分硅襯底做得更厚，意味著要將其他的光電二極管做得同樣厚，這樣會(huì)影響這些控制門、放大器等器件的性能。

　　對(duì)于紫外光(UV)，無(wú)法透過大多數(shù)集成電路電極層，或者是電路電機(jī)層對(duì)紫外線根本不響應(yīng)。這就導(dǎo)致如果采用前照的方式，紫外光引起的響應(yīng)會(huì)很弱，要解決這個(gè)效應(yīng)問題，可以通過去掉基底層，采用背照的方式來實(shí)現(xiàn)。CCD感光器的減薄技術(shù)已經(jīng)非常成熟，而CMOS的減薄技術(shù)也取得了很大的突破。

　　CCD還是CMOS?作出選擇

　　從CCD和CMOS感光器對(duì)電子快門、幀率、微光成像及非可見光成像的不同工藝技術(shù)所帶來的不同影響，可以不難看出，選擇CCD或CMOS傳感器應(yīng)取決于具體應(yīng)用(圖2)。對(duì)于需要微光或非可見光成像的應(yīng)用，CCD技術(shù)的優(yōu)勢(shì)非常明顯;對(duì)于需要高幀率和低能耗的應(yīng)用，或需要對(duì)一些感興趣區(qū)域成像的應(yīng)用，CMOS則是更好的選擇;如果對(duì)電子快門有特別的需求，這兩種技術(shù)則各有利弊。

　　圖2 CCD內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

　　可以看到，對(duì)于交通抓拍而言，傳感器必須要Global shutter的，這樣才能避免車牌的變形(圖3);同時(shí)，如果對(duì)夜間效果要求比較高，最好是選擇靈敏度高的傳感器(CCD或者高端CMOS芯片);而為了避免產(chǎn)生拖影擋住車牌，應(yīng)選擇CMOS，以有效彌補(bǔ)這個(gè)缺陷;而對(duì)于視頻監(jiān)控而言，圖像的實(shí)時(shí)性和流暢性更為重要，所以幀率更具優(yōu)勢(shì)的CMOS就成為最佳選擇。

　　針對(duì)交通抓拍和高清視頻監(jiān)控，現(xiàn)在有廠商推出將各類主要成熟技術(shù)集成在高端CMOS傳感器上的整體解決方案。

　　CMOS后勁勃發(fā)

　　CCD和CMOS的主要區(qū)別是感光單元及讀出電路結(jié)構(gòu)不同而導(dǎo)致制造工藝的不同。CCD感光單元實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換后，以電荷方式存貯并以電荷轉(zhuǎn)移的方式順序輸出，需要專用的工藝制程實(shí)現(xiàn)。CMOS圖像感光單元為光電二極管，可在通用CMOS集成電路工藝制程中實(shí)現(xiàn)，除此之外還可將圖像處理電路集成，實(shí)現(xiàn)更高的集成度和更低的功耗。

　　由于CCD技術(shù)出現(xiàn)較早，相對(duì)成熟，占據(jù)了絕大部分的高端市場(chǎng)。早期CMOS與CCD相比，僅只功耗與成本優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)在隨著CMOS技術(shù)的不斷進(jìn)步，性能已不斷提升，而CCD技術(shù)提升空間有限，進(jìn)步緩慢。

　　目前，圖像傳感器技術(shù)趨勢(shì)是向高速發(fā)展，而CMOS是高速成像所青睞的技術(shù)。有資料說，高速圖像傳感器有三大發(fā)展動(dòng)向，一是向超高速、二是向單片上多功能集成、三是向通用高速圖像傳感器方向發(fā)展。

　　現(xiàn)在，CMOS不僅占據(jù)幾乎全部的便攜產(chǎn)品和部分高端DSC(Digital Still Camera)市場(chǎng)，更是向CCD傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)市場(chǎng)——監(jiān)控市場(chǎng)發(fā)起了沖擊。

　　結(jié)語(yǔ)

　　CMOS作為上升的感光傳感器技術(shù)，盡管現(xiàn)在仍有一些性能比不上CCD，但CCD和CMOS在制造上的主要區(qū)別是CCD是集成在半導(dǎo)體單晶材料上，而CMOS是集成在被稱做金屬氧化物的半導(dǎo)體材料上，工作原理沒有本質(zhì)區(qū)別，CCD制造工藝較復(fù)雜。目前CCD和CMOS實(shí)際效果的差距已大大縮小，與CCD相比，CMOS體積小、耗電量低、成本低廉;CMOS是標(biāo)準(zhǔn)工藝制造，可利用現(xiàn)有半導(dǎo)體設(shè)備，品質(zhì)可隨半導(dǎo)體技術(shù)的提升而進(jìn)步;CMOS傳感器具有高度系統(tǒng)整合的條件，即圖像傳感器所需的功能，都可集成在一顆晶片上。