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针对工业相机CCD与CMOS的对比说明

CCD 与CMOS 对比

一直以来,人们总是在讨论CMOS 和CCD 两

种成像器之间的比较优势。虽然关于哪个更胜一

筹的争论纷纭已久,但自始至终却没有任何定论

浮出水面。由于人们关注的主题总在不断变化,

因此,关于问题的答案也是不确定的。科技在进

步,市场也日新月异,影响产品竞争力的因素不

再只是技术,还包括商业利益。成像器的应用范

围也发生了变化,需要满足更多不同的需求。有

一些应用是CMOS 成像器的强项,另一些则是

CCD 的优势。在本文中,我们将深入探讨两种成

像器在不同领域的优劣势,并向大家介绍一些鲜

为人知的技术和成本因素。 引言

CCD (电荷耦合器件)和CMOS (互补性氧化

金属半导体)图像传感器是两种不同的数字影像捕

捉技术。在不同的应用中,二者的优势和劣势也不同。

也就是说,成像器将光先转换为电荷,然后进一

步处理成为电子信号。在CCD 传感器中,每一个像

素捕获的电荷通过有限数量的输出节点(通常只有

一个)转移,转换成电压信号后保存到缓冲区,再从

芯片作为模拟信号传输出去。所有的像素都可以用

于光子捕获,输出信号的均匀性相当高,而信号的均匀性是决定图像质量的关键因素。对CMOS 传感器而言,每一个像素都有自己的电荷到电压转换机制,

传感器通常也包括放大器、噪声校正和数字化处理电路,因而CMOS 芯片输出的是数字“位”。这些功能增加了 CMOS 传感器设计的复杂性,也减少了捕获光子的有效面积。考虑到 CMOS 传感器的每一个像素都承担自身的转换任务,因而输出信号的均匀性较低。但是有赖于大规模并行处理架构,CMOS 传感器的总带宽较高,速度也更快。

CCD 和CMOS 成像器均诞生于20世纪60年代末和70年代。CCD 在当时成为主导产品,最主要的原因在当时有限的制造工艺下,CCD 可以呈现质量极高的影像。CMOS 图像传感器要求要求更高的传输均匀性,以及更小的特征,当时的硅片加工技术并不能满足。一直到20世纪90年代,平版刻法技术发展到一定程度,设计者才有能力开始设计具有实际意义CMOS 成像装置。人们对CMOS 传感器成像装置重新产生了兴趣,主要原因在于:因为重新采用了主流逻辑思维和存储装置的制造工艺,CMOS 传感器有望降低功率消耗、实现照相机与芯片集成并降低制造成本。要在实践中实现CMOS 的这些好处,同时还要保障高质量的影像,这就需要花费更多的时间、金钱,并增加工艺投入。不过,可喜的是,此时,CMOS 成像器终于能够和CDD 一样,成为一种成熟的主流技术。

CCD 和CMOS 成像器都是利用光电效应通过光产生电子信号 CCD(左)和CMOS (右)图像传感器

针对工业相机CCD与CMOS的对比说明

满足客户应用需求的大规模成像器

为了实现低能耗和小型组件的高度集成,

CMOS设计师开始关注开发手机成像器——世界

上规模最大的成像器应用。大量资金投入到开发和

微调CMOS成像器及其生产工艺方面。正因为此,

CMOS成像器的图像质量即使在像素尺寸收缩的

情况下仍然大为改善。因此,在大批量消费类面阵

和线阵传感器上,无论是哪一个性能参数,CMOS传

感器都胜过CCD。

机器视觉成像器

就机器视觉而言,受到大量手机成像器投资的推动,CMOS面阵和线阵成像器开始超越了CDD成像器。对于大多数的机器视觉面阵和线阵成像器而言,CCD已不再具备技术优势。

现在我们将简要描述CMOS成像器在机器视觉上优于CCD的原因。机器视觉的关键参数是速度和噪声。CMOS和CCD成像器主要差别是信号从信号电荷转换至模拟信号并最终转换至数字信号的不同方式。在CMOS面阵和线阵成像器中,数据通路的前端是大规模并行的。这样,每个放大器都拥有低带宽。当信号到达数据通路瓶颈,通常是成像器和芯片外电路系统之间的接口时,CMOS数据已经是数字的。相比之下,高速CCD尽管也有很多并行高速输出通道,但数量规模却不及高速CMOS成像器。因此,CCD放大器的带宽更高,噪声也更大。也就是说,高速CMOS成像器的设计噪声可低于高速CCD。

然而,有时也会出现例外情况。

近红外成像器

成像器必须具备较厚的光

子吸收区域,才能在近红外(700

至1000nm)光谱上成像。这是

因为与可见光子相比,红外光子

的吸收深度更深。

多数CMOS成像器的制造工艺是针对可见光影像的大规模应用设计的。这些成像器对手机对提高CMOS成像器的规模起

了推动作用

近红外(NIR)并不十分敏感。事实上,成像器制造工艺尽可能降低对NIR 的敏感程度。如果在具备较厚外延层的条件下,CMOS 成像器无法实现较高的像素偏压或较低的外延掺杂度,那么通过增加基片厚度,更精确地说,是外延或外延层的厚度,改善红外敏感度将会降低成像器的空间特征分辨能力。改变电压或外延掺杂度将会影响CMOS 模拟和数字电路的运作。

相反,CCD 在具备较厚的外延层的同时,能够很好地保持精密空间特征分辨能力。某些近红外CCD 的外延厚度可达100微米,而CMOS 成像器的外延厚度仅为 5至10 微米。CCD 的像素偏置和外延浓度也必须作出调整,形成更厚的外延,然而与CMOS 相比,这种调整对于CCD 电路的影响更易控制。

专门针对近红外设计的高敏感度CCD 成像器比CMOS 成像器的敏高度要高得多。 紫外成像器

由于紫外光子在十分靠近硅表面时被吸收,因

此紫外成像器不能采用可能阻碍紫外光子吸收的多

晶硅层、氮化物层或厚氧化层。现代紫外成像器的背

面都经过了减薄处理,多数只会在硅成像表面的上

方加上一层薄薄的抗反射膜。

虽然背面减薄技术在移动成像器上已屡见不鲜,

然而在紫外成像上却并非如此。无论是CMOS 或是

CCD ,成像器表面必须经过特殊的表面处理,才能够

获得稳定的紫外响应。某些针对可见光成像设计的

背面减薄成像器都贴有一层较厚的氧化膜,可在紫外成像时改变或吸收紫外光。某些背面减薄成像器的

成像表面则经过高硼掺杂膜的钝化处理,可延展硅外

延的深度,从而导致大量紫外光生光子在复合过程丢失。

紫外响应和背面减薄技术可应用在所有线阵成像器上,但不能应用在所有面阵成像器上。所有全局快门面阵CCD 成像器均不可采用背面减薄。在这点上,虽然有些代价,但是CMOS 面阵成像器的情况较好。卷帘快门面阵CMOS 成像器可背面减薄。如果紫外敏感成像器也需要在可见光中成像,传统CMOS 全局快门面阵成像器的每个像素的存储节点经过背面减薄处理后需要被遮挡。背面减薄成像器无法有效地屏蔽部分像素的入射光,除非大大降低成像器的填充系数(光敏感面积与总像素面积的比率)。有些类型的CMOS 全局快门面阵成像器尽管没有光敏感存储节点,但是具备以下全部或部分特性:高噪声、低阱容或卷帘快门。如今,深亚微米光刻技术采用远紫外线进行质量检测

时间延迟积分成像器

除了面阵和线阵成像器外,时间延迟积分成像器也是一种重要的成像器类型。时间延迟积分 (TDI) 成像器通常用于机器视觉和遥感操作。它的操作与线阵成像器类似,不同之处在于时间延迟积分成像器拥有上百条线阵。当物体影像移动通过每条线时,每条线都会捕捉到物体的快照。因为在时间延迟积分成像器中,物体的多重快照能够相加在一起,从而产生强烈的信号,因此时间延迟积分成像器特别适合信号很弱的情况。

如今,CCD 和CMOS 时间延迟积分成像器相加多重快照的方式有所不同。CCD 将信号电荷相加在一起,而CMOS 则将电压信号相加在一起。CCD 可实现无噪声相加,但CMOS

太阳能电池的硅片裂纹将会十分清晰地显示在近红外光谱成像上

不能。当CMOS 时间延迟积分成像器的行数较多时,相加的噪声极高。即使是最先进的CMOS 时间延迟积分成像器,它的噪声也不可能比CCD 时间延迟积分成像器低。

CMOS 时间延迟积分成像器的一个发展方向在于模拟CCD 时间延迟积分成像器,使其具备类似CCD 的像素,从而实现电荷相加。我们称之为电荷域CMOS 时间延迟积分成像器。电荷域CMOS 时间延迟积分成像器在技术上是可行的,但是如果需要进一步开发、微调和完善这一技术需要投入更多的成本。与CMOS 面阵和线阵成像器相比,电荷域CMOS 时间延迟积分成像器的成本很高。手机 既不需要时间延迟积分成像器也不需要相加电荷。因此,CMOS 时间延迟积分成像器的前景并不太乐观。

电子倍增

电子倍增CCD(EMCCDs)是指带有相乘信号电

荷包结构的CCD ,同时避免在相乘过程中带来噪声。

因此,净信噪比(SNR)增加了。在信号微弱至略高于

成像器本底噪声的应用中,EMCCD 能够检测到先

前难以检测到的信号。

在无需高速成像的应用中, EMCCD 的性能优

于CMOS 。高速操作会增加CCD 的读出噪声。因

此,对于改进了信噪比的EMCCD ,EMCCD 和

CMOS 成像器的差别并不大,特别是专为低读出噪

声设计的科学级CMOS 成像器。与传统成像器相比,高速EMCCD 还可显著降低功率。 低噪声CMOS 成像器在信噪比、紫外吸收或时

间延迟积分方面的性能不及CCD 。有鉴于此,由于信号可能很弱,即使其他成像器能够达到EMCCD 所具备的读出噪声,但是EMCCD 解决方案从整体上而言也是最具优势的。

成本因素

至此为止,我们已经讨论了CMOS 和CCD 成像器

在性能上的不同点。如果认为商业决策的决定因素只有

性能,那这个想法实属天真。许多商业决策者更多关注

的是产品的价值,或者说是在相同价格下能够获取的性

能有多少。

成本因素十分复杂,本文只关注最重要的几点。

首先,价格杠杆是关键。正如前述风险所述,无论是CMOS 或是CCD ,市场在售的成像器的价格比全定制成像器低得多。如果非要定制,除非变化很小,那么定制CCD 成像器的价格一般低于定制CMOS 的价格。由于CMOS 成像器采用的深亚微米掩膜价格较高,因此CMOS 成像器的研发价格也相应地高于CCD 成像器。此外,CMOS 设备需要设计的电路也更多。因此,即使定制CMOS 成像器的应用性能较好,但是考虑到价格因素,客户仍然更加亲睐定制CCD 成像器。

第二,规模。虽然研发新款CMOS 成像器价格较高,考虑到CMOS 成像器的规模经济,其单位成本却相对较低。在考虑规模后,与低研发成本相比,低单位成本显然更具吸引力。

影响成本的因素包括价格杠杆、规模、产量和每晶圆的设备数量。 EMCCD 是低信号应用的绝佳选择,特别是

在科学成像应用

第三,供应安全性。如果成像器的相关产品断产,也将大大增加成本。除价格因素外,选择一个能够持续生产成像器– CMOS或CCD –的公司也很重要。

结论

根据特定应用要求选择一个正确的成像器绝非易事。不同应用有不同的要求。这些要求将对性能和价格产生影响。鉴于上述种种复杂因素,难以断言CMOS或CCD成像器在所有应用中哪个更胜一筹也就不足为奇了。

在多数可见光成像应用中,CMOS面阵

和线阵成像器优于CCD成像器。然而,在高

速低照明应用中,CCD时间延迟积分成像器

优于CMOS时间延迟积分成像器。在近红外

成像方面,CCD面阵和线阵成像器是更好

的选择。在紫外成像中,考虑到全局快照要

求,能否实施背面减薄表面处理是关键。此

外,低噪声要求也是一个因素。在这一方面,因为拥有高读出速度,CMOS的优势比CCD更为明显。总而言之,价格和性能之间的权衡都会影响对CCD或是CMOS的评定,具体取决于杠杆、规模和供应安全性。