CCD与CMOS的技术与发展前景比较

CCD与CMOS的技术与发展前景比较

CCD和CMOS在制造上的主要区别是CCD是集成在半导体单晶材料上，而CMOS 是集成在被称做金属氧化物的半导体材料上，工作原理没有本质的区别。CCD制造工艺较复杂，采用CCD的摄像头价格都会相对比较贵。成像方面：在相同像素下CCD的成像通透性、明锐度都很好，色彩还原、曝光可以保证基本准确。而CMOS的产品往往通透性一般，对实物的色彩还原能力偏弱，曝光也都不太好，由于自身物理特性的原因，CMOS的成像质量和CCD还是有一定距离的。但由于低廉的价格以及高度的整合性，因此在摄像头领域还是得到了广泛的应用。

CCD与CMOS传感器是被普遍采用的两种图像传感器，两者都是利用感光二极管进行光电转换，将图像转为数字数据，而其主要差异是数字数据传输的方式不同。由于CCD可以在较大面积上非常有效、均匀地收集和转移产生的电荷并低噪声的测量，因此，在过去20年CCD技术一直是可见光子探测和图像捕获的主要技术。但是最近10年，随着可以用工业标准制造的CMOS图像传感器的出现，光学测量技术的新纪元已经到来。由于CMOS图像传感器具有诸如想元内放大、列并行结构，以及深亚微米CMOS处理等独特的优点，是的COMS在一些应用领域成为首选探测器。到20世纪80年代末期，继CMOS多路开关取代CCD用于红外焦平面阵列的数据独处之后，不仅在低成本成像市场，而且在许多高性能的应用如高端静态数字照相机、高清晰度电视、空间探测及精密测量等方面，CMOS想感器都有了长足的发展。与通常CCD像感器不同，CMOS像感器可以在一个芯片甚至在每个像元上实现模拟和数字电路的功能，这样，不仅可以以新颖的、最优化的方法实现已有的光子探测方法，而且也可以用所谓的“智能像元”实现新的测量方法。因此用于可见光探测的期间已经从CCD转向CMOS像感器。

CCD与CMOS传感器比较

1.灵敏度差异

由于CMOS传感器的每个像素由四个晶体管与一个感光二极管构成，使得每个像素的感光区域远小于像素本身的表面积，因此在像素尺寸相同的情况喜爱，CMOS传感器的灵敏度低于CCD传感器。

2.成本差异

由于CMOS传感器采用一般半导体电路最常用的CMOS工艺。可以轻易的将周边电路集成到传感器芯片中，因此可以接受外围芯片的成本。除此之外，由于CCD采用电荷传递的放是传递数据，只要其中一个像素不能运行就会导致一整排的数据不能传送，因此控制CCD传感器的成品率比CMOS传感器困难许多，及时有经验的厂商也难在产品问世的半年内突破50%的水平，因此CCD传感器的成本会高于CMOS传感器。

3.分辨率差异

CMOS传感器的每个像素都比CCD传感器复杂，其像素尺寸很难达到CCD传感器的水平，因此当比较相同尺寸的CCD与CMOS传感器时，CCD传感器的分辨率通常会由于CMOS传感器的水平。例如，市面上的CMOS传感器OV2610最高可达到210万像素的水平其尺寸为1/2英寸，像素尺寸为4.24μm，但sony推出的ICX452，其尺寸与OV2610相差不多，但分辨率却能高达513万像素，像素尺寸也只有2.78mm的水平。

4.噪声差异

由于COMS传感器的每个感光二极管都需搭配一个放大器，儿放大器属于模拟电路，很难让每个放大器所得到的结果保持一致，因此与只有一个放放大器在芯片边缘的CCD传感器相比，CMOS传感器的噪声就会增加很多，影响图像品质。

5.功耗差异

CMOS传感器的图像采集方式为主动式，感光二极管所产生的电荷会直接由晶体管放大输出，但CCD传感器为被盗式采集，需外加电压让每个像素中的电荷移动，而此外加电压通常需达到12~18V；因此，CCD传感器除了在电源管理电路设计上的难度更高之外，高驱动电压更使其功耗远高于CMOS传感器水平。例如，OV7640，在30fps的速度下运行，功耗仅为40mW；而致力于低功耗 CCD传感器的Sanyo公司推出的1/7英寸、CIF等级的产品，其功耗仍保持在90mW以上。因此CCD发热量比CMOS大，不能长时间在阳光下工作。

6.速度差异

CCD采用逐个光敏输出，只能按照规定的程序输出，速度较慢。CMOS有多个电荷—电压转换器和行列开关控制，读出速度快很多，大部分500fps以上的高速相机都是CMOS相机。此外CMOS 的地址选通开关可以随机采样，实现子窗口输出，在仅输出子窗口图像时可以获得更高的速度。

发展趋势

CMOS的发展趋势：

目前，CMOS是高速成像所青睐的技术。在当前市场中，我们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方向发展，三是向通用高速图像传感器方向发展。

分辨率和帧速率相结合，发挥着重要的作用。目前，我们可以推出1024×1024像素的图像传感器，工作速度达到每秒5,000个全帧。如果模数转换为10位的话，那么这就是说摄像头上的总数据速率可达每秒55Gbit。为了实现传感器上极高的数据速率和高图像质量，尤其是对这种高敏感度的应用而言，我们不仅要设计出正确的电子线路，还要确保整个线路布局实现良好的平衡性。这就是说，电源线路应实现极佳的分布，而且布局中每个线路节点的所有光学和杂散光灵敏反应都应得到很好的控制。并需要采用低功耗模块设计，以确保满足整体功耗要求。

由于光刻机的进步,在仍保持具有很高灵敏度的特性下,CCD传感器的尺寸向1/2英寸、1/3英寸、1/4英寸、1/5英寸的方向发展。

(2)向高像素数、多制式发展

各种CCD传感器的像面尺寸在减少,但其像素数在增加,甚至出现超过百万像素的CCD传感器。为提高水平和垂直方向的分辨能力,已从通常的隔行扫描向逐行扫描格式发展。

(3)降低CCD传感器的工作电压、减少功耗

初期研制的CCD摄像机有+24V、+22V、+17V和+5V等,目前通用的为+12V。为配合PC摄像机和网络图像传输的应用,逐步以+12V和+5V为主。

(4)提高CCD摄像机的制造效率

为了降低CCD摄像机的制造成本,实现高速自动化生产,制造厂家追求紧密性结构,致力于CCD摄像机的小型化。到目前为止,已实现多层板的MultiChip Module(MCM)多芯片集成模组化制造技术。

(5)CCD摄像机的数字化

在制造CCD摄像机时,从以往的Analog模拟系统逐步实现DSP数位化处理,可以借助电子计算机和专门软件系统实现对CCD摄像机,特别是对彩色CCD摄像机的各种参数的量化调整,可以确保CCD摄像机性能指标的优化一致性以及在特殊使用条件下的参数量化修改

主要厂商

投入CMOS研发、生产的厂商较多，美国有30多家，欧洲7家，日本约8家，韩国1家，台湾有8家。而居全球翘楚地位的厂商是Agilent(HP），其市场占有率51%、ST(VLSI Vision）占16%、Omni Vision占13%、现代占8%、Photobit 约占5%，这五家合计市占率达93%。

CCD产业前七大厂商皆为日系厂商，占了全球98.5％的市场份额，在技术发展方面，目前较有特色的主要厂商应为索尼、飞利普和柯达公司。