CCD和CMOS主要技术分析

XJzy

　CCD和CMOS是当前主要的两项成像技术，它们产生于不同的制造工艺背景，就当前技术言仍各具优劣。选择CCD或CMOS摄像机应依据适用环境和要求，合适选用CCD或CMOS技术，便能使图像监控达到预期的效果。另外，还可看到，COMS作为极具发展潜力的成像技术，较CCD有着更强劲的优势。本文将对CCD和CMOS主要技术作简要分析，并作出选择判断。

　　无论是交通抓拍，还是高清视频监控，只要应用到视觉成像技术，就会涉及到感光传感器——即CCD或CMOS成像技术。

　　CCD和CMOS主要技术特性比较

　　对于交通抓拍和视频监控，对前端成像传感器CCD和CMOS比较关注的技术特性主要有以下几点。

　　电子快门Electronic Shutter

　　电子快门用来控制芯片从开始到结束的电荷积分时间。由于CCD芯片暴露在光线下，即使把电荷转移也还会有电荷累积。因此，如果被测的是运动目标，就会产生常说的Smear(拖影)现象。CCD是用行间转移(ILT)的方式解决电荷累积问题的，每个像素被分为感光区和电荷转移区，电荷转移区不感光，这样在曝光结束时先将电荷一次性转移到转移区，再读出，这样读出过程就没有电荷积分，不会产生因目标运动而引起的Smear现象。但显然ILT方式减少了像素的感光面积，降低了灵敏度。这时，通常在像素上增加微透镜来收集更多的电荷。

　　CMOS芯片上电荷都是在每个像素上读出的，不存在CCD芯片的问题，它的电子快门分Rolling shutter和Global shutter两种，Rolling shutter通常采用的都是3T像素结构，每次仅能对一行像素进行曝光控制(如图1-1)，即一行曝光后再对下一行进行曝光，这样就会出现如图1-2所示的情形。Global shutter的芯片需要具备5T的结构，使整幅图像所有像素同时开始和结束曝光，图1-3是Global shutter的成像效果。但5个光电二极管的结构同样减小了感光面积，这也可以通过增加微透镜的方式来弥补。

　　帧率：Frame Rate

　　另外一个需要重点考虑的是帧率。对于CCD感光器来说，抓拍和监控速度主要受制于电荷的读出速度，读出时钟又决定了电荷读出速度的快慢，分辨率越高，CCD芯片读出的速度就越慢。实际上，读出时钟的上限取决于光-电转换的读出放大器的带宽，更高的读出速率要求有更宽的带宽;但另一方面，带宽越大又会带来更多的噪声，同时高速高带宽的读出放大器功率也会增加。因此，对CCD感光器而言，高速是在像素分辨率、噪声、功耗之间的平衡。多通道可以在一定程度上解决读出速度的问题，将图像分成多个区域，分别用读出放大器读出，再进行拼合。由于多通道电路使摄像机体积更大、功耗更高，故不适合于所有应用。

　　对于CMOS芯片而言，以单个像素为单位将电荷转化为电压，读出放大器就不再需要提高速度来支持更高的帧率。因此，CMOS芯片更易获得更高帧率。与此同时，与CCD不一样，CMOS得到的图像数据能够清零而无需被读出。这就解决了机器视觉系统仅对图像里感兴趣区域成像、只需读出部分图像信息的问题。当只需读出感兴趣区域的应用场合，CMOS芯片能够在不增加像素频率的基础上支持更高的帧率。

　　微光成像(低照度成像)Low-light Operation

　　当需要在微光下成像时，CCD和CMOS感光器采用的技术是不同的，在微光条件下，读出放大器非常重要，CCD采用统一的放大器读出，相应的，一致性比CMOS要好。微光条件意味着信号和噪声的量级接近，噪声对图像的质量影响会很大。每个CMOS感光器像素上的读出放大器都是低带宽放大器，比CCD感光器中用的高带宽放大器噪声更小，因此，可以通过提高信号增益来获得更好的信噪比。而通常CCD比CMOS的填充因子要高，同样条件下收集的电荷数会更多。同时CCD可以通过电荷倍增技术，在读出前，通过多级的电荷倍增，每次增加小幅度增益，获得更高的信噪比。此外，像素组合功能(Binning)也可以提高CCD的灵敏度，对N个像素进行Binning可将信噪比提升N倍。CMOS也可以进行类似的Binning，往往是对相邻像素电压信号进行采样叠加，由于采样也会引入一定的随机噪声，因此，CMOS中对N个像素进行Binning所得的信噪比的提升只能达到倍。

　　CCD和CMOS感光器在对可见光以外的光谱成像方面也有很大的不同，如红外光(IR)射到传感芯片上时会比可见光打得更深，因此要想充分收集这些电荷，就需要将硅衬底做得更厚些。这对于CCD芯片，在工艺上会容易些。而对于CMOS，工艺还会有些问题。将感光部分硅衬底做得更厚，意味着要将其他的光电二极管做得同样厚，这样会影响这些控制门、放大器等器件的性能。

　　对于紫外光(UV)，无法透过大多数集成电路电极层，或者是电路电机层对紫外线根本不响应。这就导致如果采用前照的方式，紫外光引起的响应会很弱，要解决这个效应问题，可以通过去掉基底层，采用背照的方式来实现。CCD感光器的减薄技术已经非常成熟，而CMOS的减薄技术也取得了很大的突破。

　　CCD还是CMOS?作出选择

　　从CCD和CMOS感光器对电子快门、帧率、微光成像及非可见光成像的不同工艺技术所带来的不同影响，可以不难看出，选择CCD或CMOS传感器应取决于具体应用(图2)。对于需要微光或非可见光成像的应用，CCD技术的优势非常明显;对于需要高帧率和低能耗的应用，或需要对一些感兴趣区域成像的应用，CMOS则是更好的选择;如果对电子快门有特别的需求，这两种技术则各有利弊。

　　图2 CCD内部结构图

　　可以看到，对于交通抓拍而言，传感器必须要Global shutter的，这样才能避免车牌的变形(图3);同时，如果对夜间效果要求比较高，最好是选择灵敏度高的传感器(CCD或者高端CMOS芯片);而为了避免产生拖影挡住车牌，应选择CMOS，以有效弥补这个缺陷;而对于视频监控而言，图像的实时性和流畅性更为重要，所以帧率更具优势的CMOS就成为最佳选择。

　　针对交通抓拍和高清视频监控，现在有厂商推出将各类主要成熟技术集成在高端CMOS传感器上的整体解决方案。

　　CMOS后劲勃发

　　CCD和CMOS的主要区别是感光单元及读出电路结构不同而导致制造工艺的不同。CCD感光单元实现光电转换后，以电荷方式存贮并以电荷转移的方式顺序输出，需要专用的工艺制程实现。CMOS图像感光单元为光电二极管，可在通用CMOS集成电路工艺制程中实现，除此之外还可将图像处理电路集成，实现更高的集成度和更低的功耗。

　　由于CCD技术出现较早，相对成熟，占据了绝大部分的高端市场。早期CMOS与CCD相比，仅只功耗与成本优势，现在随着CMOS技术的不断进步，性能已不断提升，而CCD技术提升空间有限，进步缓慢。

　　目前，图像传感器技术趋势是向高速发展，而CMOS是高速成像所青睐的技术。有资料说，高速图像传感器有三大发展动向，一是向超高速、二是向单片上多功能集成、三是向通用高速图像传感器方向发展。

　　现在，CMOS不仅占据几乎全部的便携产品和部分高端DSC(Digital Still Camera)市场，更是向CCD传统优势市场——监控市场发起了冲击。

　　结语

　　CMOS作为上升的感光传感器技术，尽管现在仍有一些性能比不上CCD，但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，工作原理没有本质区别，CCD制造工艺较复杂。目前CCD和CMOS实际效果的差距已大大缩小，与CCD相比，CMOS体积小、耗电量低、成本低廉;CMOS是标准工艺制造，可利用现有半导体设备，品质可随半导体技术的提升而进步;CMOS传感器具有高度系统整合的条件，即图像传感器所需的功能，都可集成在一颗晶片上。