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從發展差異看CCD與CMOS傳感器市場端倪

  視頻監控系統的核心部分就是圖像傳感技術,目前,監控攝像機的圖像傳感器正逐漸從傳統的CCD向CMOS轉變。這兩種傳感器各有長短,但一直以來,CMOS傳感器的缺點漸漸減少。CMOS圖像傳感器低成本、高集成度為其主要特點,圖像質量已不輸于CCD。與基于CCD的探頭相比,CMOS探頭的集成度更高,因為CMOS傳感器集成了許多外圍處理功能,所需器件比CCD探頭少,且CMOS探頭的功耗要低得多。從整個系統來看,CMOS傳感器可將成本大大降低。

  CMOS傳感器與CCD傳感器的比較CCD,即“電荷耦合器件”,以百萬像素為單位。數碼相機規格中的多少百萬像素,指的就是CCD的分辨率。CCD是一種感光半導體芯片,用于捕捉圖形,廣泛運用于掃描儀、復印機以及無膠片相機等設備。與膠卷的原理相似,光線穿過一個鏡頭,將圖形信息投射到CCD上。但與膠卷不同的是,CCD既沒有能力記錄圖形數據,也沒有能力永久保存下來,甚至不具備“曝光”能力。所有圖形數據都會不停留地送入一個“模-數”轉換器,一個信號處理器以及一個存儲設備(比如內存芯片或內存卡)。CCD有各式各樣的尺寸和形狀,最大的有2×2平方英寸。1970美國貝爾實驗室發明了CCD。二十年后,人們利用這一技術制造了數碼相機,將影像處理行業推進到一個全新領域。

  CMOS,即“互補金屬氧化物半導體”。它是計算機系統內一種重要的芯片,保存了系統引導所需的大量資料。有人發現,將CMOS加工也可以作為數碼相機中的感光傳感器,其便于大規模生產和成本低廉的特性是商家們夢寐以求的。

  CCD的優勢在于成像質量好,但是由于制造工藝復雜,只有少數的廠商能夠掌握,所以導致制造成本居高不下,特別是大型CCD,價格非常高昂。在相同分辨率下,CMOS價格比CCD便宜,但是CMOS器件產生的圖像質量相比CCD來說要低一些。到目前為止,市面上絕大多數的消費級別以及高端數碼相機都使用CCD作為感應器;CMOS感應器則作為低端產品應用于一些攝像頭上,若有哪家攝像頭廠商生產的攝想頭使用CCD感應器,廠商一定會不遺余力地以其作為賣點大肆宣傳,甚至冠以“數碼相機”之名。一時間,是否具有CCD感應器變成了人們判斷數碼相機檔次的標準之一。

  CMOS影像傳感器的優點之一是電源消耗量比CCD低,CCD為提供優異的影像品質,付出代價即是較高的電源消耗量,為使電荷傳輸順暢,噪聲降低,需由高壓差改善傳輸效果。但CMOS影像傳感器將每一畫素的電荷轉換成電壓,讀取前便將其放大,利用3.3V的電源即可驅動,電源消耗量比CCD低。CMOS影像傳感器的另一優點,是與周邊電路的整合性高,可將ADC與訊號處理器整合在一起,使體積大幅縮小。

  噪點:由于CMOS每個感光二極管都需搭配一個放大器,如果以百萬像素計,那么就需要百萬個以上的放大器,而放大器屬于模擬電路,很難讓每個放大器所得到的結果保持一致,因此與只有一個放大器放在芯片邊緣的CCD傳感器相比,CMOS傳感器的噪點就會增加很多,影響圖像品質。

  耗電量:CMOS傳感器的圖像采集方式為主動式,感光二極管所產生的電荷會直接由旁邊的電晶體做放大輸出;而CCD傳感器為被動式采集,必須外加電壓讓每個像素中的電荷移動至傳輸通道。而這外加電壓通常需要12~18V,因此CCD還必須有更精密的電源線路設計和耐壓強度,高驅動電壓使CCD的耗電量遠高于CMOS。CMOS的耗電量僅為CCD的1/8到1/10。

  成本:由于CMOS傳感器采用一般半導體電路最常用的CMOS工藝,可以輕易地將周邊電路(如AGC、CDS、Timinggenerator或DSP等)集成到傳感器芯片中,因此可以節省外圍芯片的成本;而CCD采用電荷傳遞的方式傳送數據,只要其中有一個像素不能運行,就會導致一整排的數據不能傳送,因此控制CCD傳感器的成品率比CMOS傳感器困難許多,即使有經驗的廠商也很難在產品問世的半年內突破50%的水平,因此,CCD傳感器的制造成本會高于CMOS傳感器。


  從技術的角度比較,CCD與CMOS有如下四個方面的不同:

  1、信息讀取方式:CCD電荷耦合器存儲的電荷信息,需在同步信號控制下一位一位地實施轉移后讀取,電荷信息轉移和讀取輸出需要有時鐘控制電路和三組不同的電源相配合,整個電路較為復雜。CMOS光電傳感器經光電轉換后直接產生電流(或電壓)信號,信號讀取十分簡單。

  2、速度:CCD電荷耦合器需在同步時鐘的控制下,以行為單位一位一位地輸出信息,速度較慢;而CMOS光電傳感器采集光信號的同時就可以取出電信號,還能同時處理各單元的圖像信息,速度比CCD電荷耦合器快很多。

  3、電源及耗電量:CCD電荷耦合器大多需要三組電源供電,耗電量較大;CMOS光電傳感器只需使用一個電源,耗電量非常小,僅為CCD電荷耦合器的1/8到1/10,CMOS光電傳感器在節能方面具有很大優勢。

  4、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。

  從發展差異看CCD與CMOS傳感器市場端倪

  CCD在影像品質等方面均優于CMOS,而CMOS則具有低成本、低功耗、以及高整合度的特點。不過,隨著CCD與CMOS傳感器技術的進步,兩者的差異在逐漸減小,新一代的CCD傳感器一直在功耗上作改進,而CMOS傳感器則在改善分辨率與靈敏度方面的不足。相信不斷改進的CCD與CMOS傳感器將為我們帶來更加美好的數碼影像世界。

  隨著數碼相機、手機相機的興起,圖像傳感器正逐漸成為半導體產品中最耀眼的明星之一。而在圖像傳感器中,日商所獨占的CCD傳感器與百家爭鳴的CMOS傳感器都在盡力克服自身的缺點,希望成為市場上的主流技術。鑒于此,本文將首先簡介CCD與CMOS傳感器在原理方面的差異,再探討領導廠商的技術發展藍圖,了解這些不同的圖像傳感器在應用市場上的發展趨勢。

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