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CCD与CMOS图像传感器的对比

2017-09-29
类别:基础知识
eye 191
文章创建人 拍明芯城
  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。
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  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。

CCD与CMOS图像传感器的对比

  CCD和CMOS成像器都是利用光电效应通过光产生电子信号也就是说,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,DALSA创始人Savvas Chamberlain博士正是研发这两项技术的先驱者。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的 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。

  满足客户应用需求的大规模成像器

CCD和CMOS成像器

  手机对提高CMOS成像器的规模起了推动作用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。

机器视觉成像器

  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

近红外成像器

  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

紫外成像器

  如今,深亚微米光刻技术采用远紫外线进行质量检测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。

  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。

  时间延迟积分成像器可将多重曝光与物体移动同步起来如今,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

时间延迟积分成像器

  EMCCD是低信号应用的绝佳选择,特别是在科学成像应用电子倍增 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

低噪声CMOS成像器

  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。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成像器的价格较高,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。

  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

CMOS成像器.jpg

  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。

  在工业应用中成像系统的广泛采用持续扩展,不仅由新的影像感测器技术和产品的开发所推动,还由支援平台的进步所推动,如电脑功率和高速数据介面。今天,成像系统的使用在各种领域很常见,如配线检查、交通监测/执法、监控和医疗及科学成像,由于影像感测器技术的进步,使成像性能、读取速度和解析度提高。随着影像感测器现在采用电荷耦合元件(CCD)和互补式金属氧化物半导体(CMOS)技术设计,审视这两大平台对于选择最适合特定应用的影像感测器很有帮助。

  电子成像技术的发展始于上世纪60年代,诺贝尔奖得主Boyle和Smith开发出第一个CCD。这些元件是利用掺杂矽的固有能力将光子转换成电子,并用得到的画素等级电荷来测量光强度而运作。在架构上,这个设计的最大优势是简单,整个画素区域可用来检测光子和存储电荷,提供最大讯号级别,支援高动态范围。

  相同的画素区域用于将电荷传送到有限的输出端,其中电荷被转换为电压。随时间推移,这架构已细化到包括Interline Transfer CCD设计,其中包含画素等级的一个电子快门,无需相机设计中的机械快门。今天,CCD是采用订制的半导体制程,高度优化于成像应用,并需要外部电路将类比输出电压转换为数位讯号以用于后续处理。一般而言,CCD的典型特点是高效的电子快门能力、宽动态范围和出色的影像均匀性。

  相比之下,CMOS影像感测器设计最初是利用为主流半导体元件的制造而开发的工艺,如用于逻辑晶片、微处理器和记忆体模组的工艺。这点形成巨大的优势,如数位处理功能可直接纳入晶片中,以增强影像感测器功能。CMOS影像感测器不像CCD将电荷传送到有限的输出端,而是把电晶体放置在每一画素内(或每组画素),来进行电荷、电压之间的转换。这么一来,电压(而不是电荷)可经由整个元件传输,使得影像读取变得更快、更灵活。此外,高端处理可直接结合至晶片,如果需要的话,影像感测器可输出完全处理的JPEG影像,甚至是H.264视讯流。

  虽然CCD影像感测器历来提供比CMOS元件更好的成像性能,但近年来差距已大大缩小,CMOS影像感测器可提供的影像品质现在已胜任多种应用。这可从用于工业成像的最新一代CMOS元件看出,如安森美半导体的PYTHON CMOS影像感测器系列。

  尽管最好的CCD可提供的一些成像参数可能仍然超越这一系列,但这些PYTHON元件的影像品质已适用于线上检测、交通监测/收费、运动分析等等。这使CMOS技术的其他性能优势更加显着,如更快的帧率、更低的功耗、感兴趣区域(ROI)的成像 。每一项性能对提升产量和支援这些应用都至关重要。

  因为这些内在优势,有人预计CCD影像感测器最终将消亡,因为CMOS技术不断进步且最终将在所有面向使CCD性能黯然失色。但是,以后CCD和CMOS技术无疑将继续发展,CCD的基础架构表明某些区域将继续保持特定的性能优势,使CCD成为要求最高成像性能的工业应用的首选技术。

  虽然影像均匀性随着CMOS技术的进步不断改善,但最高的性能水准仍是在CCD影像感测器应用。这是这些技术架构的直接结果:虽然CMOS元件有数以千计的单独放大器(每列一个,或甚至每画素一个),CCD可将电荷从画素路由至单个放大器,感测器读取无需藉由任何放大器来放大变化。影像的高均匀性对医疗和科学成像等应用很重要,甚至关键的成品检测,其中这些应用的定量性是提供清晰、未处理的影像的关键。此外,使用CCD往往比CMOS元件更容易在缩放至高解析度和大光学格式时保持均匀性。

  CCD设计的类比性也令CCD相机能为特定的终端应用“微调”,优化特定的成像特性。例如针对天文摄影的应用,摄影机制造商可选择充分优化感测器的能力(扩展动态范围),以牺牲抗溢光为代价(这可能对此应用不是那么重要)。其他科学成像应用也可得益于CCD提供的极低暗电流,并可能需要长达一个小时以上的曝光时间以侦测极微弱的讯号。

  由于诸如此类的架构优势,安森美半导体如今继续选择投资CCD技术和产品。可在最近宣告的新CCD技术平台中找到一个重要的例子,这平台结合Interline TransferCCD的成像性能和可从电子倍增(EMCCD)输出获取的极低感光度。

  Interline TransferEMCCD的结合能让一个摄影机同时捕捉到影像场景的一部分(如一个小巷)在极低光照水准下(低至月光或甚至星光),而另一部份处于明亮的光照下(路灯)。这个性能使一个独立摄影机捕捉到从白天到星光的光照水准影像,是CCD技术所独有,因为它利用了EMCCD输出的电荷倍增性 ,也正是CMOS元件限于工作电压范围无法提供的特性。结合了这个技术的产品具备1080p解析度以及 30 fps帧率,针对极低光照的监控、科学成像和医疗成像等应用。

  虽然采用CMOS技术的产品显然越来越广泛,但CCD影像感测器仍然在某些方面保持优势,使其比CMOS元件更适合某些应用。因此,与其寻找最佳的技术,不如确定考虑中的特定终端应用情况的关键性能参数,然后结合这些关键需求与不同产品的特性和性能。

  虽然某些情况下,基于一种技术的产品可能提供最佳匹配,但在其他可能不是那么明确的情况下,与可提供两种技术的公司合作就格外重要,以便获得客观的看法。通过获取同时基于CCD和CMOS两种技术的广泛产品阵容的资讯,终端客户就可确定并选择真正适合他们特定的终端应用的产品, 而成为真正的赢家。


责任编辑:Davia

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