CMOS與CCD圖像傳感器的比較研究和發展趨勢

王旭東，葉玉堂

（電子科技大學光電信息學院，四川成都610054）

自從上世紀60年代末期，美國貝爾實驗室提出固態成像器件概念后，固體圖像傳感器便得到了迅速發展，成為傳感技術中的一個重要分支，它是PC機多媒體不可缺少的外設，也是監控中的核心器件。

互補金屬氧化物半導體CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）圖像傳感器與電荷耦合器件CCD（Charge Coupled Device）圖像傳感器的研究幾乎是同時起步，但由于受當時工藝水平的限制，CMOS圖像傳感器圖像質量差、分辨率低、噪聲降不下來和光照靈敏度不夠，因而沒有得到重視和發展。

而CCD器件因為有光照靈敏度高、噪音低等優點，一直主宰著圖像傳感器市場。由于集成電路設計技術和工藝水平的提高，CMOS圖像傳感器過去存在的缺點，現在可以找到相關解決方法，而且其固有優點是CCD器件所無法比擬的，因而CMOS圖像傳感器再次成為研究的熱點。這里針對CMOS與CCD圖像傳感器進行分析研究，并給出其發展趨勢。

1 CCD與CMOS的組成結構比較

1.1 CCD與CMOS的組成結構

在制造上，CCD和CMOS的主要區別主要是CCD是集成在半導體單晶材料上，而CMOS是集成在被稱為金屬氧化物的半導體材料上。其工作原理都是利用感光二極管（Photodiode）進行光電轉換，這種轉換的原理與太陽能電子計算機的太陽能電池效應相近。光線越強，電力越強[1]。反之，光線越弱，電力也越弱。根據此原理將圖像轉換為數字數據。而其主要差異是數字數據傳送的方式不同[2]。簡易結構圖如圖1所示。

比較CCD與CMOS的結構，ADC（數模轉換器）位置和數量是最大的差異。CCD每曝光一次，在快門關閉后進行像素的轉移處理，將每一行中電荷信號依次轉入“緩沖器”中，由低端的線路引導輸出至CCD邊緣的放大器進行放大，再串聯ADC輸出。而CMOS的結構中每個像素都直接連著ADC，點和信號直接放大并轉換成數字信號。造成這種差異的原因在于CCD的特殊工藝可以保證數據在傳送時不會失真，以此各個像素的數據可以匯集到邊緣再進行放大處理。而CMOS工藝的數據在傳送距離較長時會產生噪聲。因此，必須先放大再整合各個像素的數據。

圖1 CCD和CMOS的組成結構Fig.1 Structure of CCD and CMOS

1.2 CCD與CMOS的相關參數比較

表1給出CCD與CMOS圖像傳感器的性能比較，與CCD圖像傳感器相比，CMOS圖像傳感器具有明顯的優勢。

表1 CCD與CMOS圖像傳感器的性能比較Tab.1 Comparison of CCD and CMOS image sensor performance

CMOS與CCD圖像傳感器在結構、工作方式和制造工藝兼容程度上的差別,使得CMOS圖像傳感器具有CCD圖像傳感器所不具有的優點[3]。

1）驅動電壓CCD陣列驅動脈沖復雜，電荷信息轉移和讀取輸出需要有時鐘驅動電路和3組不同的電源相配合，不能與大規模集成電路制造工藝技術相兼容，而CMOS經光電轉換后直接產生電流或電（電壓）信號，只需要單一的工作電源，信號讀取相對簡單。

2）圖像采集和處理速度CCD需要在同步時鐘的控制下，以行為單位依次輸出信息，不能隨機讀取，而這種隨機讀取對許多應用是不可缺少的，且速度較慢。而CMOS圖像傳感器在采集光信號的同時就可以取出電信號，還能實時處理各單元的圖像信息，速度比圖像傳感器要快。

3）集成度CCD技術很難將光敏單元陣列，驅動電路及模擬數字信號處理電路在單片上集成，比如A/D轉換，精密放大，存儲等功能，均無法在單片上實現。而CMOS圖像傳感器可將光敏元件、圖像信號放大器、信號讀取電路、A／D轉換器、圖像信號處理器及控制器等集成到一塊芯片上，還具有對局部像素圖像的編程隨機訪問的優點。

4）功耗與價格CCD圖像傳感器的功耗較大，約300 mW；而CMOS圖像傳感器的功耗較小，約50 mW，甚至更小，在節能方面具有很大的優勢。CMOS的耗電量僅為CCD的1/8～1/10。而在價格方面由于CCD圖像傳感器工藝制程復雜,且集成度等較低。所以CMOS圖像傳感器更勝一籌。

5）噪點差異由于CMOS每個感光二極管旁都搭配一個ADC放大器,如果以百萬像素計,那么就需要百萬個以上的ADC放大器,雖然是統一制造下的產品,但是每個放大器都存在差異,很難達到放大同步的效果,對比單個放大器的CCD,CMOS最終計算出的噪點就比較多。

王祥只覺得五雷轟頂，自己隨手就弄丟了一生可能就這么一次的發財機會。但是到底是怎么回事，王祥還在云里霧里。

6）速度快差異CMOS速度快，可靠性高。由于大部分相機電路可與CMOS圖像傳感器在同一芯片上。信號及驅動傳輸距離短，電感、電容和寄生延遲降低。信號讀出采用X—Y尋址方式，因此，圖像傳感器的存取速度快，體積小，焊點和接頭較少，所以其可靠性高。

7）成像質量CCD電荷耦合器制作技術起步早，技術成熟，采用PN結或二氧化硅（SiO2）隔離層隔離噪聲，成像質量相對CMOS光電傳感器有一定優勢。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、磁干擾較嚴重，噪聲對圖像質量影響很大，使CMOS光電傳感器很長一段時間無法進入實用。近年，隨著CMOS電路消噪技術的不斷發展，為生產高密度優質的CMOS圖像傳感器提供了良好的條件。

2 CMOS的改進技術及存在問題的解決途徑

為了克服低靈敏度、高噪聲、暗電流，低填充度等這些CMOS傳感器上常見的問題，CMOS已經做了很多技術研究和攻關[4-5]。

1）片上消除噪聲技術為了消除每個像素的漂移和噪聲，傳感器上包含一個特殊的電路，它只吸收噪聲信號而不處理光學信號，可以從光學信號中去除噪聲部分。這樣傳感器就能以很高的信噪比讀取信號。

2）全像素電荷轉移技術為了避免分子運動帶來的隨機噪聲，實現具有高信噪比的光學傳感器。由于每次讀取信號時，初始值都會變化，只依靠片上消除噪音技術無法完全解決這個問題。通過引入全像素電荷轉移技術，能夠維持光學信號和噪聲信號的一致初始值，讓消除隨機噪聲和實現高信噪比成為可能。

3）片上模擬處理技術為了消除噪聲并實現高速信號讀取性能，芯片上集成了PGA可編程增益放大器。這項革新有效地降低了噪聲，并加速了信號輸出（12 MHz）。

4）暗電流CMOS成像器件均具有較大的像素尺寸，因此，在正常范圍內也會產生一定的暗電流。通過改進CMOS工藝，壓縮結面積可降低暗電流的發生率，也可通過提高幀速率（frame rate）來縮短暗電流的匯集時間，從而減弱暗電流的影響。

6）提高填充系數為了提高CMOS-APS的填充系數，近幾年國外開發的CMOS-APS均具有微透鏡陣列結構，在整個CMOS-APS像元上放置一個微透鏡將光集中到有效面積上，可以大幅度提高靈敏度和填充系數。

7）提高動態范圍動態范圍是反映圖像傳感器性能的主要指標之一，目前CMOS圖像傳感器的動態范圍還稍遜于CCD，雖然對數響應型CMOS圖像傳感器的動態范圍可達120 dB，但同時也增加了圖像噪聲，影響了圖像質量。提高動態范圍的方法之一就是利用PECVD超高真空系統以及專用集成電路（ASIC）薄膜技術，改進光電二極管的材料組合，提高低灰度部位的感光度，同時在像素電路的結構及驅動方法上下功夫，實現低灰度時自動轉換到線形輸出，高灰度時自動轉換到對數壓縮輸出。

8）DRSCAN噪聲消除技術Sony公司采用了“DRSCAN”噪聲消除技術和抑制暗電流的“HAD”結構改善CMOS圖像傳感器噪聲較高這一弱點。獨特的“DRSCAN”技術在逐點順序讀出每個像素信號和噪聲成分的同時，消除由同一電路中晶體管特性不均所引起的固定圖形噪聲$，為消除暗電流引起的固定圖形噪聲，Sony公司還借鑒了CCD圖像傳感器的“HAD”結構，抑制非入射光引起的暗電流，使信噪比提高了近25倍。且“HAD”結構采用L形門的像素結構，幾乎使所有的電子完全轉移，實現了無拖影的圖像信號輸出。

9）低壓驅動掩埋光電二極管東芝公司于2003年開始采用掩埋光電二極管新型結構，降低了漏電電流。在低壓下也能確保無電荷殘余的完全讀出，實現了與CCD攝像器件同等的高質量圖像，表2為新舊光電二極管的性能比較。

表2 光電二極管的主要性能Tab.2 Main performance of photodiode

10）CMOS C3D技術C3D（CMOS Color captive Device）

是新一代半導體成像技術。它不僅提高了像素設計技術，也改進了生產工藝。采用這種技術生產的0.25 μm CMOS圖像傳感器,可以在保全性能的前提下增加晶體管的數量和占空因數（Fill Factor）。除了增加像素設計的選擇方案之外，還可實現更加復雜的功能和更低的功耗。而且，該傳感器在速度方面也有很大優勢。C3D技術采取了以下對策：①通過改進CMOS工藝來降低暗電流的發生率；②壓縮結面積（Junction Area）；③通過提高幀速率（Frame Rate）來縮短暗電流的匯集時間。

11）彩色插值算法在實用中，為降低成本，減小尺寸，提高圖像質量，可采用Bayer濾光陣列把輸入光信號分解為RGB三基色，且每個像素點只采集1種有色光的亮度。為獲得高質量彩色圖像，必須利用插值方法恢復丟失的色差分量。因此提出了基于自然景物特征和圖像像素間相關性的新型圖像插值算法。該插值算法對R像素和B像素進行統一處理，抑制了拉條效應，充分利用自然景物的特征，使圖像更逼真。改善了CMOS圖像傳感器的成像質量。

12）CMOS圖像傳感器突破技術瓶頸CMOS圖像傳感器打破汽車測距技術瓶頸[6]。Canesta公司從1999年成立以來就一直致力于開發CMOS圖像傳感器，經過7年的努力該公司終于開發成功了這種最有前景的技術。Canesta公司的CMOS圖像芯片能夠在硬件上通過飛行時間式同時計算出成像芯片上的每個點，從而感應出汽車到每個物體之間的距離，而不像超聲波傳感器那樣只能感應到汽車和最近物體之間的距離。Canesta公司的方案前景一定不錯，因為它只使用了一個相機，而且是基于CMOS技術，這對于保持低成本來說是至關重要的。再加上使用了飛行時間式計算方法，它可以給汽車帶來各種各樣的功能。飛行時間(time-of-flight)式計算方法是指Canesta使用了一個紅外光源來照亮有不可見光的區域，然后計量出光從發射器(在成像器后面)射到外面的物體并最終返回到CMOS探測器的時間。通過使用CMOS芯片上的硬件裝置，機器視覺算法可以計算出該區域每一個點和汽車間的距離，從而輕松地給各種物體分門別類——從本質上來說，這是準確計算，而不僅僅是感應。

過去工藝中各種不易解決的技術問題現在都能找到相應的解決辦法，圖像質量得到大大改善，像素規模已由最初的幾萬像素發展到現在的幾百萬上千萬像素。CDS電路，技術彩色濾波器陣列技術，數字信號處理（DSP）技術，噪聲抑制技術不斷有新突破，目前CMOS傳感器大都采用0.35 m或0.5 m的CMOS制造工藝，CMOS單元面積上的像素數已與CCD相當，因此可基本達到CCD器件的高分辨率。

3 圖像傳感器在未來應用上的分析

世界圖像傳感器2007年的出貨量為10.95億個，比上年增長19%，預期到2013年將增長到20億個，年均增長率超過10%［7］。世界圖像傳感器的應用情況如表3所示。

表3 世界圖像傳感器應用情況Tab.3 Applications of world image sensors

2007～2011年間CCD傳感器出貨量將從1.67億個下降到1.44億個，而同期CIS則將從9.29億個快速上升到15.68億個，年均增長率達14%。同期出貨值前者從24.36億美元下降到10.86億美元，跌幅過半；后者從30.51億美元增加到35.77億美元，年均增長率也不過4%。移動電話市場按數量計將以15.6%的年率高速增長，預計2011年將大大超過15億部。在數碼相機應用領域，小型機中CMOS也正在逐漸取代CCD。CMOS與CCD相比，價格便宜，因此在整個圖像傳器電子消費應用方面，CMOS有取代CCD的趨勢。表4為CMOS圖像傳感器的新產品。

表4 CMOS圖像傳感器新產品Tab.4 New products of CMOS image sensor

4 總結與展望

CMOS圖像傳感器正朝著高分辨率，高靈敏度，低噪聲，大動態范圍，高智能化的方向不斷發展[8]。通過完善CMOS的制造工藝，進一步改善CMOS圖像質量，靈敏度等問題，從而使其在視頻監控，圖像采集，指紋識別，數碼相機，可視通信設備,醫用儀器儀表，航空探測設備，視頻電子郵件、汽車尾視、醫療設備、保安監控、可視通信、眼膜識別、工業視頻監控、視覺玩具等方面將得到了更廣泛的應用。在過去相當長的時間里，CCD圖像傳感器由于其高解析度、低噪聲、高敏感度和動態范圍廣等優點，一直處于主導地位；而受工藝水平的限制，CMOS圖像傳感器因其固有的圖像質量差、分辨率低、噪聲高和光照靈敏度不夠等特點，沒有得到重視和發展。而近年來，由于集成電路設計技術和工藝水平和CMOS在一些新技術的突破的提高，CMOS圖像傳感器過去存在的缺點，現在都可以找到辦法克服，因而它再次成為研發的熱點。與CCD相比，CMOS體積小，耗電量不到CCD的十分之一，而售價也比CCD便宜三分之一；加之CMOS傳感器具有更好的量產性，而且容易集成其他邏輯電路在內而形成功能更豐富的SoC產品，而這在CCD中是很難實現的。低成本的CMOS更適合于成本敏感型的消費電子應用。因此，CMOS圖像傳感器的應用前景更加廣闊。

[1]王慶有.圖像傳感器應用技術[M].北京：電子工業出版社，2003：207-234.

[2]程開富.CMOS圖像傳感器的原理及應用[J].半導體情報，2001，38（56）：5-9.

CHENG Kai-fu.Principles and applications of CMOS image sensor[J].Semiconductor Information,2001，38（56）：5-9.

[3]熊平.CCD與CMOS圖像傳感器特點比較[J].半導體光電，2004，25(1):1-4.

XIONG Ping.Comparison of CCD and CMOS image sensor[J].Semiconductor Optoelectronics，2004，25（1）：1-4.

[4]曾德賢，趙繼光.CMOS圖像傳感器的三種新技術[J].光機

電信息，2004（11）：26-27.

ZENG De-xian，ZHAO Ji-guang.CMOS image sensor and new technologies[J].OME Information，2004（11）：26-27.

[5]Mendis S K,Kemeny S E，Gee RC，et al.CMOS active pixel image sensors for highly integrated image systems[J].IEEE J.Solid-State Circuits，1997，32（2）:187-197.

[6]程開富.CMOS圖像傳感器的最新進展及其應用[J].光機電信息，2003（1）：20-24.

CHENG Kai-fu.CMOS image sensor and its application of the latest[J].OME Information，2003（1）：20-24.

[7]程開富.CMOS圖像傳感器的發展現狀及關鍵技術探討[J].光機電信息，2001（8）：27-34.

CHENG Kai-fu.The development and key technologe of CMOS image sensor[J].OME Information,2001（8）：27-34.

[8]CNET科技資訊網，高清DV發展之路探索從CCD到CMOS大勢所趨[EB/OL].（2007-02-15）[2010-01-10].

http://www.cnetnews.com.cn/files/list-0-0-9126-0-2-0.htm.