CCD与CMOS图像传感器的比较

毕业论文学生姓名学院专业光信息科学与技术题目CCD与CMOS图像传感器的比较指导教师2013年5月1摘要：CCD和CMOS图像传感器技术日趋成熟，目前已经广泛应用于数码照相机、摄像机，机器人视觉系统等成像装置上。本文分别对两类图像传感器CCD和CMOS进行了系统的分析和研究。由于CCD与CMOS图像传感器结构、性能和制造工艺不同，它们拥有各自的优点和缺陷，文章通过对CMOS与CCD的结构特点，包括灵敏度和分辨率等性能参数进行比较找出两者的异同,介绍了两者在各个领域的实际应用情况，并对CCD和CMOS发展趋势和应用前景做出了展望。关键词：CCD，CMOS，图像传感器，灵敏度，分辨率2Abstract：ThetechnologyofCCDandCMOSimagesensorisbecomingmoreandmoremature.Ithasbeenwidelyusedindigitalcameras,thevisionsystemdeviceofimagingrobotandsoon.TwokindsofimagesensorCCDandCMOSareanalyzedandstudiedsystematicallyinthispaper.Becauseofthedifferencesinstructure,thepropertiesandthemanufacturingprocess,CCDandCMOSimagesensorhavetheirownadvantagesanddisadvantages.ThestructurefeatureandotherperformanceparametersincludingsensitivityandresolvingcapabilityarecomparedtofindoutthesimilaritiesanddifferencesbetweenCMOSandCCD.Futhermore,thepracticalapplicationofCCDandCMOSinvariousfields,thetrendoftheirdevelopmentandtheprospectoftheirapplicationarealsointroducedinthispaper.Keywords:CCD,CMOS,imagesensor,sensitivity,resolvingcapability3目录1引言..........................................................42CCD和CMOS图像传感器的基本原理...............................42.1CCD图像传感器的工作原理....................................42.2CCD图像传感器的类型........................................62.3CMOS图像传感器的工作原理...................................72.4本章小结....................................................83CCD和CMOS图像传感器的比较...................................83.1CCD和CMOS图像传感器的结构比较.............................83.2CCD和CMOS图像传感器的性能比较.............................93.3本章小结...................................................114CCD和CMOS图像传感器的应用及发展趋势........................114.1CCD图像传感器的应用.......................................114.1.1图像扫描.................................................124.1.2三维测量.................................................124.2CMOS图像传感器的应用......................................124.2.1数码相机.................................................124.2.1遥感成像.................................................134.3CCD和CMOS图像传感器的市场消费趋势........................134.4本章小结...................................................14结论............................................................15参考文献........................................................16致谢...........................................错误!未定义书签。41引言在现代社会中，我们每个人每天都在接收着大量的信息，有分析显示，这些信息当中80%都是通过人眼接收的。近年来，半导体技术快速发展，并且被用来制作图像传感器。图形传感器是照相机的“视网膜”，他可以获取信息并且完成信息的转化存储，因此得到了广泛应用。图像传感器有两类，分别是电荷耦合器件和互补金属氧化物场效应管，即CCD(Charge-CoupledDevice)和CMOS(ComplementaryMetalOxideSemiconductor)图像传感器。20世纪60年代，固态成像器件概念首先由美国贝尔实验室提出。此后，图像传感器技术迅速发展，被广泛应用于个人计算机以及监控设备之中。由于图像传感器可以把光信号转化为电信号，所以原来用于传统照相机的澳化银胶片逐渐被取代。CCD和CMOS图像传感器的工作原理在本质上其实是一样的，光线首先通过镜头聚焦投射在图像传感器表面，再通过MOS电容器或光电二极管进行光电转化。这些光影明暗强度不同，入射光的强度与MOS电容器和光电二极管产生的电荷成正比，因此可以形成“电荷图像”，“电荷图像”又经过数模转化等其他处理之后形成图像文件。但是，CCD和CMOS的制作工艺和结构以及工作原理都是不同的，性能参数也有较大区别。CCD和CMOS图像传感器的研究基本上是在同一时期起步的，但CMOS在噪声和灵敏度方面存在短板因此一直滞后于CCD的发展。直到最近十几年，CMOS技术取得很多突破，它本身体积小，集成度高等优点更能适应当今电子设备小型化，低成本化的需求，因此重新得到重视，其市场份额也逐步增加。本文将对CMOS与CCD图像传感器进行分析研究，重点研究两者的异同，并展望其发展趋势。本文的主要内容安排如下：第二章将分别介绍CCD和CMOS的基本原理，第三章将重点介绍CCD和CMOS的结构和性能比较，第四章将介绍CCD和CMOS的应用情况，及其未来发展趋势。2CCD和CMOS图像传感器的基本原理CCD和CMOS图像传感器都运用了半导体技术，本章将简要介绍两者的基本原理。2.1CCD图像传感器的工作原理图2.1所示为CCD图像传感器工作原理框图[1]。MOS(金属-氧化物-半导体)电容器是构成CCD的基本单元，其基本构成如图2.2所示。CCD图像传感器感光单元由排列起来的MOS电容器阵列组成，CCD图像传感器可以看成是源级和漏极之间存在多个栅极，拥有一条很长的导电沟道的“多栅MOS晶体管”。CCD图像传感器的作用是完成光电转换，以及电子存储和耦合。根据MOS管的工作原5理，要使CCD工作，首先需要在MOS管上加上大于开启电压的正栅源电压，此时栅极和P型硅片相当于以二氧化硅为介质的平板电容器，介质中产生垂直于半导体表面的由栅极指向P型衬底的电场，这个电场透过SiO2绝缘层排斥空穴，在栅极附近形成耗尽层，耗尽层附近的电势很低，构成存储电子的势阱。同时P型底层中的电子被吸引到栅极下的衬底表面形成N型薄膜，即反型层，成为沟通输入端和输出端的N型导电沟道。当光线照射到半导体器件表面的时候，半导体吸收光子的能量，产生电子-空穴，其中的电子会被吸引存贮在势阱中，光照越强，势阱中收集的电子越多，光照越弱则相反，这样电荷生成的数量就反映了光照的强度，实现了光和电的转换。势阱的深度是和栅极上的正向偏压成正比的，而当栅极上的电压一定时，电子就会逐步存贮在势阱中，势阱深度将越来越浅。根据上述性质，只需调节不同栅极上电压的大小就可以控制势阱深度的变化。当MOS电容紧密排列，相邻的MOS电容势阱会相互沟通，当栅极之间的距离足够小时，在信号电荷自感生电场的库伦力作用下，势阱里的电子就可以从浅处流向深处，完成电荷包的耦合。为了使电荷包按照确定的路径转移，在MOS电容各个栅极上所加的电压脉冲是时钟脉冲，根据其相位关系分为二相、三相或四相几种结构。电荷包在时钟脉冲下顺序转移，经过电荷-电压变换,从CCD中以模拟信号的方式输出。电荷输出有浮置扩散输出、浮置栅输出和电流输出等结构。输出信号在片外电路板中进行放大和数模转化，最终实现把最初的电荷包转换为数字信号，并形成图像文件。图2.1CCD图像传感器工作原理框图6图2.2MOS电容器的基本结构2.2CCD图像传感器的类型CCD图像传感器分为线型和面型两大类。线型CCD是由移位寄存器、MOS光敏单元并行组成，移位寄存器与光敏元之间还有一个转移控制栅，有双沟道和单沟道传输等结构，如图2.3所示。线型的CCD图像传感器只能直接处理一维光信息，而二维光信息是不能直接被转变成图像信号输出的，它只有X方向，没有Y方向，想要获取二维的图像信号就必须采用扫描的方法。线型CCD图像传感器的主要用途是传真以及尺寸测量和文字识别等方面，比如扫描仪就使用线型CCD。面型CCD把一维的移位寄存器和线型光敏单元排列成矩形二维阵列，由感光区、信号存储区、输出转移电路组成，具有X，Y两个方向，有行间转移、帧转移、线转移等结构。如图2.4所示。面型CCD图像传感器主要作用是充当摄像机，数码相机内部的感光器件。此外，按采光方式分类，CCD又有前照式和背照式等。图2.3线型CCD图像传感器的结构7图2.4面型CCD图像传感器的结构2.3CMOS图像传感器的工作原理CMOS图像传感器的总体结构如图2.5所示。芯片的内部集成度很高，感光单元阵列、时序产生电路、模拟信号处理器、驱动电路、行列寻址、数模转化电路和很多控制寄存器等都集成在片内。通过对I2C总线编程还可以控制自动曝光、自动增益、白平衡等。图2.5CMOS图像传感器工作原理框图CMOS图像传感器拥有二维像素阵列，每个像素上都配有一个光电二极管。不同像素结构的CMOS对信号的处理方式略有差别。一般情况，当光线投射到CMOS二维阵列表面时，光电二级管发生光电效应，首先将接收到的光强转换为电信号。通过芯片上的行选择电路和列选择电路我们可以任意选取希望操作的像素单元，并读出像素单元的电信号。将选取8到的信号放大并转化为电压信号以后，再送到片上模拟信号处理电路中做相关双采样处理。也即由图像传感器引出实时信号、参考信号两路输出进行差分对比，去掉相同或相关的干扰信号。这种方法可以减少噪声，提高了信噪比，还可以完成其它信号处理功能。经过降噪后的信号再由A/D转换器转变为数字信号输出。CMOS图像传感器有三种像素结构，即无源、有源、数字像素结构。仅由一个MOS开关管和一个反偏光电二极管组成的是无源像素结构(PPS)。它的特点是结构简单，具有较高的像素填充率，量子效率好，但由于传输线电容较大，噪声很高。在像元中引入有源放大器的结构是有源像素结构