CMOS与CCD图像传感器的比较研究和发展趋势

王旭东，叶玉堂

（电子科技大学光电信息学院，四川成都610054）

自从上世纪60年代末期，美国贝尔实验室提出固态成像器件概念后，固体图像传感器便得到了迅速发展，成为传感技术中的一个重要分支，它是PC机多媒体不可缺少的外设，也是监控中的核心器件。

互补金属氧化物半导体CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）图像传感器与电荷耦合器件CCD（Charge Coupled Device）图像传感器的研究几乎是同时起步，但由于受当时工艺水平的限制，CMOS图像传感器图像质量差、分辨率低、噪声降不下来和光照灵敏度不够，因而没有得到重视和发展。

而CCD器件因为有光照灵敏度高、噪音低等优点，一直主宰着图像传感器市场。由于集成电路设计技术和工艺水平的提高，CMOS图像传感器过去存在的缺点，现在可以找到相关解决方法，而且其固有优点是CCD器件所无法比拟的，因而CMOS图像传感器再次成为研究的热点。这里针对CMOS与CCD图像传感器进行分析研究，并给出其发展趋势。

1 CCD与CMOS的组成结构比较

1.1 CCD与CMOS的组成结构

在制造上，CCD和CMOS的主要区别主要是CCD是集成在半导体单晶材料上，而CMOS是集成在被称为金属氧化物的半导体材料上。其工作原理都是利用感光二极管（Photodiode）进行光电转换，这种转换的原理与太阳能电子计算机的太阳能电池效应相近。光线越强，电力越强[1]。反之，光线越弱，电力也越弱。根据此原理将图像转换为数字数据。而其主要差异是数字数据传送的方式不同[2]。简易结构图如图1所示。

比较CCD与CMOS的结构，ADC（数模转换器）位置和数量是最大的差异。CCD每曝光一次，在快门关闭后进行像素的转移处理，将每一行中电荷信号依次转入“缓冲器”中，由低端的线路引导输出至CCD边缘的放大器进行放大，再串联ADC输出。而CMOS的结构中每个像素都直接连着ADC，点和信号直接放大并转换成数字信号。造成这种差异的原因在于CCD的特殊工艺可以保证数据在传送时不会失真，以此各个像素的数据可以汇集到边缘再进行放大处理。而CMOS工艺的数据在传送距离较长时会产生噪声。因此，必须先放大再整合各个像素的数据。

图1 CCD和CMOS的组成结构Fig.1 Structure of CCD and CMOS

1.2 CCD与CMOS的相关参数比较

表1给出CCD与CMOS图像传感器的性能比较，与CCD图像传感器相比，CMOS图像传感器具有明显的优势。

表1 CCD与CMOS图像传感器的性能比较Tab.1 Comparison of CCD and CMOS image sensor performance

CMOS与CCD图像传感器在结构、工作方式和制造工艺兼容程度上的差别,使得CMOS图像传感器具有CCD图像传感器所不具有的优点[3]。

1）驱动电压CCD阵列驱动脉冲复杂，电荷信息转移和读取输出需要有时钟驱动电路和3组不同的电源相配合，不能与大规模集成电路制造工艺技术相兼容，而CMOS经光电转换后直接产生电流或电（电压）信号，只需要单一的工作电源，信号读取相对简单。

2）图像采集和处理速度CCD需要在同步时钟的控制下，以行为单位依次输出信息，不能随机读取，而这种随机读取对许多应用是不可缺少的，且速度较慢。而CMOS图像传感器在采集光信号的同时就可以取出电信号，还能实时处理各单元的图像信息，速度比图像传感器要快。

3）集成度CCD技术很难将光敏单元阵列，驱动电路及模拟数字信号处理电路在单片上集成，比如A/D转换，精密放大，存储等功能，均无法在单片上实现。而CMOS图像传感器可将光敏元件、图像信号放大器、信号读取电路、A／D转换器、图像信号处理器及控制器等集成到一块芯片上，还具有对局部像素图像的编程随机访问的优点。

4）功耗与价格CCD图像传感器的功耗较大，约300 mW；而CMOS图像传感器的功耗较小，约50 mW，甚至更小，在节能方面具有很大的优势。CMOS的耗电量仅为CCD的1/8～1/10。而在价格方面由于CCD图像传感器工艺制程复杂,且集成度等较低。所以CMOS图像传感器更胜一筹。

5）噪点差异由于CMOS每个感光二极管旁都搭配一个ADC放大器,如果以百万像素计,那么就需要百万个以上的ADC放大器,虽然是统一制造下的产品,但是每个放大器都存在差异,很难达到放大同步的效果,对比单个放大器的CCD,CMOS最终计算出的噪点就比较多。

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6）速度快差异CMOS速度快，可靠性高。由于大部分相机电路可与CMOS图像传感器在同一芯片上。信号及驱动传输距离短，电感、电容和寄生延迟降低。信号读出采用X—Y寻址方式，因此，图像传感器的存取速度快，体积小，焊点和接头较少，所以其可靠性高。

7）成像质量CCD电荷耦合器制作技术起步早，技术成熟，采用PN结或二氧化硅（SiO2）隔离层隔离噪声，成像质量相对CMOS光电传感器有一定优势。由于CMOS光电传感器集成度高，各光电传感元件、电路之间距离很近，相互之间的光、电、磁干扰较严重，噪声对图像质量影响很大，使CMOS光电传感器很长一段时间无法进入实用。近年，随着CMOS电路消噪技术的不断发展，为生产高密度优质的CMOS图像传感器提供了良好的条件。

2 CMOS的改进技术及存在问题的解决途径

为了克服低灵敏度、高噪声、暗电流，低填充度等这些CMOS传感器上常见的问题，CMOS已经做了很多技术研究和攻关[4-5]。

1）片上消除噪声技术为了消除每个像素的漂移和噪声，传感器上包含一个特殊的电路，它只吸收噪声信号而不处理光学信号，可以从光学信号中去除噪声部分。这样传感器就能以很高的信噪比读取信号。

2）全像素电荷转移技术为了避免分子运动带来的随机噪声，实现具有高信噪比的光学传感器。由于每次读取信号时，初始值都会变化，只依靠片上消除噪音技术无法完全解决这个问题。通过引入全像素电荷转移技术，能够维持光学信号和噪声信号的一致初始值，让消除随机噪声和实现高信噪比成为可能。

3）片上模拟处理技术为了消除噪声并实现高速信号读取性能，芯片上集成了PGA可编程增益放大器。这项革新有效地降低了噪声，并加速了信号输出（12 MHz）。

4）暗电流CMOS成像器件均具有较大的像素尺寸，因此，在正常范围内也会产生一定的暗电流。通过改进CMOS工艺，压缩结面积可降低暗电流的发生率，也可通过提高帧速率（frame rate）来缩短暗电流的汇集时间，从而减弱暗电流的影响。

6）提高填充系数为了提高CMOS-APS的填充系数，近几年国外开发的CMOS-APS均具有微透镜阵列结构，在整个CMOS-APS像元上放置一个微透镜将光集中到有效面积上，可以大幅度提高灵敏度和填充系数。

7）提高动态范围动态范围是反映图像传感器性能的主要指标之一，目前CMOS图像传感器的动态范围还稍逊于CCD，虽然对数响应型CMOS图像传感器的动态范围可达120 dB，但同时也增加了图像噪声，影响了图像质量。提高动态范围的方法之一就是利用PECVD超高真空系统以及专用集成电路（ASIC）薄膜技术，改进光电二极管的材料组合，提高低灰度部位的感光度，同时在像素电路的结构及驱动方法上下功夫，实现低灰度时自动转换到线形输出，高灰度时自动转换到对数压缩输出。

8）DRSCAN噪声消除技术Sony公司采用了“DRSCAN”噪声消除技术和抑制暗电流的“HAD”结构改善CMOS图像传感器噪声较高这一弱点。独特的“DRSCAN”技术在逐点顺序读出每个像素信号和噪声成分的同时，消除由同一电路中晶体管特性不均所引起的固定图形噪声$，为消除暗电流引起的固定图形噪声，Sony公司还借鉴了CCD图像传感器的“HAD”结构，抑制非入射光引起的暗电流，使信噪比提高了近25倍。且“HAD”结构采用L形门的像素结构，几乎使所有的电子完全转移，实现了无拖影的图像信号输出。

9）低压驱动掩埋光电二极管东芝公司于2003年开始采用掩埋光电二极管新型结构，降低了漏电电流。在低压下也能确保无电荷残余的完全读出，实现了与CCD摄像器件同等的高质量图像，表2为新旧光电二极管的性能比较。

表2 光电二极管的主要性能Tab.2 Main performance of photodiode

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

是新一代半导体成像技术。它不仅提高了像素设计技术，也改进了生产工艺。采用这种技术生产的0.25 μm CMOS图像传感器,可以在保全性能的前提下增加晶体管的数量和占空因数（Fill Factor）。除了增加像素设计的选择方案之外，还可实现更加复杂的功能和更低的功耗。而且，该传感器在速度方面也有很大优势。C3D技术采取了以下对策：①通过改进CMOS工艺来降低暗电流的发生率；②压缩结面积（Junction Area）；③通过提高帧速率（Frame Rate）来缩短暗电流的汇集时间。

11）彩色插值算法在实用中，为降低成本，减小尺寸，提高图像质量，可采用Bayer滤光阵列把输入光信号分解为RGB三基色，且每个像素点只采集1种有色光的亮度。为获得高质量彩色图像，必须利用插值方法恢复丢失的色差分量。因此提出了基于自然景物特征和图像像素间相关性的新型图像插值算法。该插值算法对R像素和B像素进行统一处理，抑制了拉条效应，充分利用自然景物的特征，使图像更逼真。改善了CMOS图像传感器的成像质量。

12）CMOS图像传感器突破技术瓶颈CMOS图像传感器打破汽车测距技术瓶颈[6]。Canesta公司从1999年成立以来就一直致力于开发CMOS图像传感器，经过7年的努力该公司终于开发成功了这种最有前景的技术。Canesta公司的CMOS图像芯片能够在硬件上通过飞行时间式同时计算出成像芯片上的每个点，从而感应出汽车到每个物体之间的距离，而不像超声波传感器那样只能感应到汽车和最近物体之间的距离。Canesta公司的方案前景一定不错，因为它只使用了一个相机，而且是基于CMOS技术，这对于保持低成本来说是至关重要的。再加上使用了飞行时间式计算方法，它可以给汽车带来各种各样的功能。飞行时间(time-of-flight)式计算方法是指Canesta使用了一个红外光源来照亮有不可见光的区域，然后计量出光从发射器(在成像器后面)射到外面的物体并最终返回到CMOS探测器的时间。通过使用CMOS芯片上的硬件装置，机器视觉算法可以计算出该区域每一个点和汽车间的距离，从而轻松地给各种物体分门别类——从本质上来说，这是准确计算，而不仅仅是感应。

过去工艺中各种不易解决的技术问题现在都能找到相应的解决办法，图像质量得到大大改善，像素规模已由最初的几万像素发展到现在的几百万上千万像素。CDS电路，技术彩色滤波器阵列技术，数字信号处理（DSP）技术，噪声抑制技术不断有新突破，目前CMOS传感器大都采用0.35 m或0.5 m的CMOS制造工艺，CMOS单元面积上的像素数已与CCD相当，因此可基本达到CCD器件的高分辨率。

3 图像传感器在未来应用上的分析

世界图像传感器2007年的出货量为10.95亿个，比上年增长19%，预期到2013年将增长到20亿个，年均增长率超过10%［7］。世界图像传感器的应用情况如表3所示。

表3 世界图像传感器应用情况Tab.3 Applications of world image sensors

2007～2011年间CCD传感器出货量将从1.67亿个下降到1.44亿个，而同期CIS则将从9.29亿个快速上升到15.68亿个，年均增长率达14%。同期出货值前者从24.36亿美元下降到10.86亿美元，跌幅过半；后者从30.51亿美元增加到35.77亿美元，年均增长率也不过4%。移动电话市场按数量计将以15.6%的年率高速增长，预计2011年将大大超过15亿部。在数码相机应用领域，小型机中CMOS也正在逐渐取代CCD。CMOS与CCD相比，价格便宜，因此在整个图像传器电子消费应用方面，CMOS有取代CCD的趋势。表4为CMOS图像传感器的新产品。

表4 CMOS图像传感器新产品Tab.4 New products of CMOS image sensor

4 总结与展望

CMOS图像传感器正朝着高分辨率，高灵敏度，低噪声，大动态范围，高智能化的方向不断发展[8]。通过完善CMOS的制造工艺，进一步改善CMOS图像质量，灵敏度等问题，从而使其在视频监控，图像采集，指纹识别，数码相机，可视通信设备,医用仪器仪表，航空探测设备，视频电子邮件、汽车尾视、医疗设备、保安监控、可视通信、眼膜识别、工业视频监控、视觉玩具等方面将得到了更广泛的应用。在过去相当长的时间里，CCD图像传感器由于其高解析度、低噪声、高敏感度和动态范围广等优点，一直处于主导地位；而受工艺水平的限制，CMOS图像传感器因其固有的图像质量差、分辨率低、噪声高和光照灵敏度不够等特点，没有得到重视和发展。而近年来，由于集成电路设计技术和工艺水平和CMOS在一些新技术的突破的提高，CMOS图像传感器过去存在的缺点，现在都可以找到办法克服，因而它再次成为研发的热点。与CCD相比，CMOS体积小，耗电量不到CCD的十分之一，而售价也比CCD便宜三分之一；加之CMOS传感器具有更好的量产性，而且容易集成其他逻辑电路在内而形成功能更丰富的SoC产品，而这在CCD中是很难实现的。低成本的CMOS更适合于成本敏感型的消费电子应用。因此，CMOS图像传感器的应用前景更加广阔。

[1]王庆有.图像传感器应用技术[M].北京：电子工业出版社，2003：207-234.

[2]程开富.CMOS图像传感器的原理及应用[J].半导体情报，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与CMOS图像传感器特点比较[J].半导体光电，2004，25(1):1-4.

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

[4]曾德贤，赵继光.CMOS图像传感器的三种新技术[J].光机

电信息，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]程开富.CMOS图像传感器的最新进展及其应用[J].光机电信息，2003（1）：20-24.

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

[7]程开富.CMOS图像传感器的发展现状及关键技术探讨[J].光机电信息，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科技资讯网，高清DV发展之路探索从CCD到CMOS大势所趋[EB/OL].（2007-02-15）[2010-01-10].

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