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CMOS与CCD图像传感器

时间:2015-05-23 06:19:09  来源:  作者:

CCD(Charge Coupled Device)图像传感器(以下简称CCD)和CMOS图像传感器(CMOS Image Sensor以下简称CIS)的主要区别是由感光单元及读出电路结构不同而导致制造工艺的不同。CCD感光单元实现光电转换后,以电荷的方式存贮并以电荷转移的方式顺序输出,需要专用的工艺制程实现;CIS图像感光单元为光电二极管,可在通用CMOS集成电路工艺制程中实现,除此之外还可将图像处理电路集成,实现更高的集成度和更低的功耗。


目前CCD几乎被日系厂商垄断,只有少数几个厂商例如索尼、夏普、松下、富士、东芝等掌握这种技术。CIS是90年代兴起的新技术,掌握该技术的公司较多,美国有OmniVision,Aptina;欧洲有ST;韩国的三星,SiliconFile差模电感,Hynix等;日本的SONY,东芝等;中国台湾的晶像;大陆地区的比亚迪,格科微等公司。由于CCD技术出现早,相对成熟,前期占据了绝大部分的高端市场。早期CIS与CCD相比,仅功耗与成本优势明显,因此多用于手机,PC Camera等便携产品。随着CIS技术的不断进步,性能不断提功率电感器升;而CCD技术提升空间有限,进步缓慢。目前CIS不仅占据几乎全部的便携设备市场,部分高端DSC(Digital Still Camera)市场,更是向CCD传统优势市场——监控市场发起冲击。下面就监控专用CIS与传统CCD进行综合对比。


一、灵敏度(Responsivity)


作为图像传感器最重要的技术指标之一,灵敏度是衡量图像传感器对于光线的敏感程度。监控专用CIS的灵敏度高达10V/Lux-sec以上,高过大部分的CCD传感器(Sharp RJ2311C灵敏度为3.2V/ Lux-sec)。灵敏度指标主要体现在画质的亮度和低光效果上,灵敏度越高画面越清晰。虽然CIS的最小感光度(Minimum Detectable Light)指标低于CCD,但可以满足绝大部分监控应用场合。


二、动态范围(Dynamic Range)


动态范围是衡量图像传感器对于明暗光线差别较大的场景下的表现。在实际应用中,体现在图像传感器是否可以在一幅图像中既可以清晰显示较暗的场景,又可以清晰显示光线充足的场景。尤其是当Camera对准窗口时,既要能看到窗内的景象,又要能看到窗外的场景,而不出现“过曝”现象。动态范围越高,表明在明暗差别较大一体成型电感器的场景下,图像传感器表现越好。插件电感目前高端CIS可实现高达100dB以上的动态范围,而常见CCD的动态范围基本在60dB左右。从动态范围上讲,CIS略胜一筹。


三、集成度(Integration)


由于CIS在标准CMOS工艺制程下制造,可将读出电路(包含相关双采样CDS,自动增益放大器AGC等),模数转换电路(ADC),图像信号处理(ISP),电视信号编码电路(TV-Encoder)等全部集成于单芯片中。而CCD由于制造工艺特殊且复杂,处理电路需单独存在,配套使用,因此在应用上有“CCD套片”的叫法。“CCD套片”包含CCD图像传感器,V-Driver(时序控制/CCD多路电源,逐步被集成与CDS/AGC电路中),CDS/AGC一体成型电感器(对应于CIS的读出电路),DSP(对应于CIS的ISP)四部分。如果采用CIS设计CCTV Camera方案,只需要一颗芯片,一颗LDO和少量阻容元件,全部设计可在一块两面SMD 32mm*32mm的PCB板上完成;如果采用CCD套片,则最少需要一块两面SMD 38mm*38mm的PCB板才能容纳所有器件。通常采用两块PCB板,以避免由PCB板元件过密带来的噪声问题。显而易见,基于CIS的Camera方案提供了更高的集成度,无论是PCB板设计难度,还是功耗/成本都大大下降。


四、画质(Picture Quality)


除受图像传感器本身的物理特性影响外,图像信号处理技术从某种程度上决定了图像质量。之所以人们认为CIS效果不如CCD,一方面是由于长期以来形成的思维定势,更主要是因为CCD拥有独立的DSP,具有强大的图像处理功能,实际上图像传感物理部分已无差别。随着CIS内置ISP算法的不断进步,CIS画质已大幅提升。正常光线下,CIS与CCD画质已无差别,甚至已超越中低端CCD画质。但CIS的ISP集成在芯片内部,其性能与独立的DSP尚有差距,也造就了短期内CIS尚无法达到高端CCD的效果。


五、工作温度(Operating Temperature)


目前CIS已被广泛应用于汽车监控(含可视倒车等),由于汽车电子的苛刻要求,用于汽车监控的CIS产品要求在-40℃-105℃正常工作。而CCD由于传感器部件对热敏感,高于60℃将无法正常工作(低于-20℃也无法正常工作),因此高端摄像机都需内置散热系统。相对而言,基于CIS的Camera设计将更加简单,稳定。 1

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