固體圖像傳感器CMOS與CCD的區(qū)別
市場上應用的固體圖像傳感器主要有CCD與CMOS兩種。本文從技術性能的角度、器件的內外部結構、原理、應用、生產制造的工藝與設備等方面將兩者作比較。
速度的對比 由上知,CCD成像器件需在二、三、四相時鐘驅動脈沖的控制下,以行為單位一位一位地輸出信息,所以速度較慢。 而CMOS成像器件在采集光電圖像信號的同時就可取出電信號,它并能同時處理各單元的圖像信息,所以速度比CCD成像器件快得多。由于CMOS成像器件的行、列電極可以被高速地驅動,再加上在同一芯片上做A/D轉換,圖像信號能快速地取出,因此它可在相當高的幀速下動作。如有些設計用來做機器視覺的CMOS,聲稱可以高達每秒1000個畫面的幀速。 電源及耗電量的對比 由于CCD的像素由MOS電容構成,讀取電荷信號時需使用電壓相當大(至少12V)的二相或三相或四相時序脈沖信號,才能有效地傳輸電荷。因此CCD的取像系統(tǒng)除了要有多個電源外,其外設電路也會消耗相當大的功率。有的CCD取像系統(tǒng)需消耗2?5W的功率。 而CMOS光電成像器件只需使用一個單電源5V或3V,耗電量非常小,僅為CCD的1/8?1/10,有的CMOS取像系統(tǒng)只消耗20?50mW的功率。 成像質量的對比 CCD成像器件制作技術起步早,技術成熟,采用PN結或二氧化硅(sio2)隔離層隔離噪聲,所以噪聲低,成像質量好。 與CCD相比,CMOS的主要缺點是噪聲高及靈敏度低,因為CMOS成像器件集成度高,各光電元件、電路之間距離很近,相互之間的光、電、磁干擾嚴重,噪聲對圖像質量影響很大,開始很長一段時間無法進入實用。后來,噪聲的問題用有源像素(ActivePixel)設計及噪聲補正線路加以降低。近年,隨著CMOS電路消噪技術的不斷進展,為生產高密度優(yōu)質的CMOS成像器件提供了良好的條件。已有廠商聲稱,所開發(fā)出的技術,成像質量已不比CCD差。 CMOS成像器件的靈敏度低,是因為像素部分面積被用來制作放大器等線路。在固定的芯片面積上,除非采用更精細的制造工藝,否則為了維持相當水準的靈敏度,成像器件的分辨率不能做得太高(反過來說,固定分辯率的傳感器,芯片尺寸無法做得太小)。但目前,利用0.18μm制造技術己開發(fā)出了4096×4096超高分辨率的CMOS圖像傳感器。 CMOS與CCD在應用上的對比 CCD的發(fā)展已有32年的歷史,可以說是相當成熟的產品。目前技術的發(fā)展主要在于如何縮小傳感器的面積、降低生產成本及提高商用性能。CCD的主流應用正逐漸從仿真攝像機、安全監(jiān)控攝像機等演進到數(shù)字多媒體應用,如數(shù)字攝像機(DigitalVideoCamcorder)、數(shù)字相機DSC(DigitalStillCamera)等。由于便攜式數(shù)字相機要求輕、薄、短小,百萬像素級的CCD已做到1/3″,而中、低分辯率的CCD已發(fā)展到1/4″或1/5″,今后朝1/8″甚至于1/10″發(fā)展。仿真式攝錄像機的CCD為配合PAL/NTSC電視制式,像素長寬比亦為4∶3和采用隔行讀取信號的方式。而專用的數(shù)字相機則強調方正像素(可減少信號處理所需的時間)及逐行掃描(可提升取像的速度)。 由于CCD有好的影像品質、高靈敏度與高分辨率,因此目前在高、中檔的影像應用主要是CCD,而對于一些新興產品,如PC相機、移動電話等,用CCD則無法滿足在電源消耗、體積等方面條件的要求。 CMOS成像器件目前主要集中于CIF與VGA等級產品。CIF等級的CMOS成像器件已由1/3″、1/4″轉至1/4″至1/5″,甚至1/7″。目前1/7″的CIF等級的CMOS成像器件的耗電量已降至30mw以下,因此多應用于手機等便攜式產品上。VGA等級的CMOS成像器件已由過去的1/3″至1/4″,轉至1/4″至1/5″。這一等級的CMOS成像器件的耗電量由過去的300mw降至100mw左右,它主要應用于PC相機,其次在DSC、PHS及TOY也有應用。 |
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