CMOS PK CCD 圖像傳感器競(jìng)爭(zhēng)也“瘋狂”

圖像傳感器包括CCD與CMOS兩種。其中，CCD是“電荷耦合器件”(Charge Coupled Device)的簡(jiǎn)稱，CMOS是“互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體”(Complementary Metal Oxide Semiconductor)的簡(jiǎn)稱。CCD是1970年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的W·B·Boyle和G·E·Smith等人發(fā)明的，從而揭開(kāi)了圖像傳感器的序幕。據(jù)恒業(yè)國(guó)際控股集團(tuán)生產(chǎn)中心經(jīng)理劉勇介紹：“CCD是一種用于捕捉圖像的感光半導(dǎo)體芯片，廣泛運(yùn)用于掃描儀、復(fù)印機(jī)、攝像機(jī)及無(wú)膠片相機(jī)等設(shè)備”，即光學(xué)圖像(實(shí)際場(chǎng)景)經(jīng)鏡頭投射到CCD上，隨后將電子圖像不停留地送入一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器、信號(hào)處理器等器件。理論上說(shuō)其能無(wú)限次地完成光電圖像轉(zhuǎn)換，方便長(zhǎng)期使用，最終從攝像機(jī)輸出的圖像其圖質(zhì)很大程度上取決于CCD的品質(zhì)。

隨CCD迅猛發(fā)展之時(shí)，有人發(fā)現(xiàn)CMOS引入半導(dǎo)體光敏二極管后也可作為一種感光傳感器，但在分辨率、噪聲、成像質(zhì)量等方面都比當(dāng)時(shí)的CCD差，故未獲得實(shí)際的規(guī)模應(yīng)用。近年，隨著CMOS工藝技術(shù)的飛速發(fā)展，現(xiàn)在已能制造出高質(zhì)量、低成本的CMOS成像器件，且已可實(shí)際投入大規(guī)模生產(chǎn)，其高速率、高集成、低功耗及成本低廉等特性已影響著行業(yè)內(nèi)圖像傳感器選用走向。隨之，CCD一統(tǒng)江湖的地位開(kāi)始動(dòng)搖，恒業(yè)國(guó)際劉勇表示：“如今，CCD與CMOS已呈兩者共存的局面，模擬產(chǎn)品CCD是主流，但高清產(chǎn)品CMOS逐步成為圖像傳感器的主角。”究竟誰(shuí)會(huì)笑到最后？下面我們對(duì)其結(jié)構(gòu)、原理和優(yōu)劣勢(shì)進(jìn)行一一對(duì)比。

內(nèi)外部：結(jié)構(gòu)原理PK

無(wú)論任何產(chǎn)品，品質(zhì)的好壞主要取決于性能的優(yōu)劣，而性能優(yōu)劣的關(guān)鍵跟產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和工作原理又有著較大的關(guān)系，CCD和CMOS也既如此。

基本組成

CCD是在MOS晶體管的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，其基本結(jié)構(gòu)是MOS(金屬—氧化物—半導(dǎo)體)電容結(jié)構(gòu)。它是在半導(dǎo)體P型硅(Si)作襯底的表面上用氧化的辦法生成一層厚度約1000？~1500？的SiO2，再在SiO2表面蒸鍍一層金屬(如鋁)，在襯底和金屬電極間加上一個(gè)偏置電壓(稱柵電壓)，就構(gòu)成了一個(gè)MOS電容器。所以，CCD是由一行行緊密排列在硅襯底上的MOS電容器陣列構(gòu)成的。

而最基本的CMOS圖像傳感器是以一塊雜質(zhì)濃度較低的P型硅片作襯底，用擴(kuò)散的方法在其表面制作兩個(gè)高摻雜的N+型區(qū)作為電極，即場(chǎng)效應(yīng)管的源極和漏極，再在硅的表面用高溫氧化的方法覆蓋一層二氧化硅(SiO2)的絕緣層，并在源極和漏極之間的絕緣層的上方蒸鍍一層金屬鋁，作為場(chǎng)效應(yīng)管的柵極。最后，在金屬鋁的上方放置光電二極管，這就構(gòu)成了最基本的CMOS圖像傳感器。

恒業(yè)國(guó)際劉勇解釋道：“在CMOS攝像器件中，電信號(hào)是從CMOS晶體管開(kāi)關(guān)陣列中直接讀取的，而不像CCD那樣需要逐行讀取。”

內(nèi)部結(jié)構(gòu)

CCD成像器需有輔以較多的外圍驅(qū)動(dòng)電路才能工作，它僅能輸出模擬電信號(hào)，這種信號(hào)要經(jīng)后續(xù)的地址譯碼器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器，圖像信號(hào)處理器等進(jìn)行處理，CCD本身集成度相對(duì)較低。如有CCD數(shù)碼相機(jī)常會(huì)有六個(gè)芯片組成，有的多達(dá)八片，最少也要三片，從而使相機(jī)體積不能減小，制作成本也較高。

而CMOS成像器不需要附加的外圍處理電路，它是將光電二極管、圖像信號(hào)放大器、信號(hào)讀取電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、圖像信號(hào)處理器及控制器等都集成到一塊芯片上，且制造加工就如半導(dǎo)體廠家生產(chǎn)集成電路的流程即可。若構(gòu)成數(shù)碼相機(jī)，可將數(shù)碼相機(jī)的所有部件都集成到一塊芯片上，即“單芯片相機(jī)”。因此，采用CMOS芯片的光電圖像系統(tǒng)，不但能降低系統(tǒng)的整體成本與組裝所需的時(shí)間，而且還大大縮小了系統(tǒng)的體積和減低了復(fù)雜度。

工作原理

天津天地偉業(yè)數(shù)碼科技有限公司產(chǎn)品中心經(jīng)理郭輝介紹：“CCD是一種半導(dǎo)體成像器件，CCD電荷耦合器存儲(chǔ)的電荷信息，需在同步信號(hào)控制下一位一位地實(shí)施轉(zhuǎn)移后讀取，電荷信息轉(zhuǎn)移和讀取輸出需要有時(shí)鐘控制電路和三組不同的電源相配合，整個(gè)電路較為復(fù)雜。”

因而，CCD處理信息的速度相對(duì)較慢外，其耗電量也相對(duì)較大；

而CMOS光電傳感器在光電轉(zhuǎn)換后就可取出電信號(hào)，讀取比較簡(jiǎn)單，還能同時(shí)處理各像素單元的圖像信息，

CMOS光電傳感器只需單組電源工作，耗電量小，能達(dá)到節(jié)能作用。

技術(shù)指標(biāo)：輸贏關(guān)鍵

評(píng)判一款產(chǎn)品性能好壞，總有幾個(gè)技術(shù)指標(biāo)。對(duì)于CCD和CMOS傳感器來(lái)說(shuō)，同樣也有幾個(gè)硬性指標(biāo)。引用天地偉業(yè)郭輝的觀點(diǎn)：“傳感器的主要技術(shù)指標(biāo)有像素、靶面尺寸、感光度、電子快門(mén)、幀率、信噪比等。”

·像素。傳感器上有許多感光單元，它們可以將光線轉(zhuǎn)換成電荷，從而形成對(duì)應(yīng)于景物的電子圖像。而在傳感器中，每一個(gè)感光單元對(duì)應(yīng)一個(gè)像素(Pixels)，像素越多，代表著它能夠感測(cè)到更多的物體細(xì)節(jié)，從而圖像就越清晰。像素越高，意味著成像效果越清晰；

·靶面尺寸。據(jù)天地偉業(yè)的郭輝介紹：“圖像傳感器感光部分的大小。一般用英寸來(lái)表示，和電視機(jī)一樣，通常這個(gè)數(shù)據(jù)指的是這個(gè)圖像傳感器的對(duì)角線長(zhǎng)度，如常見(jiàn)的有1/3英寸，靶面越大，意味著通光量越好，而靶面越小則比較容易獲得更大的景深。比如1/2英寸可以有比較大的通光量，而1/4英寸可以比較容易獲得較大的景深。”

·感光度。即是通過(guò)CCD或CMOS以及相關(guān)的電子線路感應(yīng)入射光線的強(qiáng)弱。感光度越高，感光面對(duì)光的敏感度就越強(qiáng)，快門(mén)速度就越高，這在拍攝運(yùn)動(dòng)車輛，夜間監(jiān)控的時(shí)候尤其顯得重要；

·電子快門(mén)。是比照照相機(jī)的機(jī)械快門(mén)功能提出的一個(gè)術(shù)語(yǔ)。其控制圖像傳感器的感光時(shí)間，由于圖像傳感器的感光值就是信號(hào)電荷的積累，感光越長(zhǎng)，信號(hào)電荷積累時(shí)間也越長(zhǎng)，輸出信號(hào)電流的幅值也越大。電子快門(mén)越快，感光度越低，適合在強(qiáng)光下拍攝；

·幀率。既指單位時(shí)間所記錄或者播放的圖片的數(shù)量，連續(xù)播放一系列圖片就會(huì)產(chǎn)生動(dòng)畫(huà)效果，根據(jù)人類的視覺(jué)系統(tǒng)，當(dāng)圖片的播放速度大于15幅/秒的時(shí)候，人眼就基本看不出來(lái)圖片的跳躍；在達(dá)到24幅/s～30幅/s之間時(shí)就已經(jīng)基本覺(jué)察不到閃爍現(xiàn)象了。每秒的幀數(shù)(fps)或者說(shuō)幀率表示圖形傳感器在處理場(chǎng)時(shí)每秒鐘能夠更新的次數(shù)。高的幀率可以得到更流暢、更逼真的視覺(jué)體驗(yàn)；

·信噪比。是信號(hào)電壓對(duì)于噪聲電壓的比值，信噪比的單位用dB來(lái)表示。一般攝像機(jī)給出的信噪比值均是AGC(自動(dòng)增益控制)關(guān)閉時(shí)的值，因?yàn)楫?dāng)AGC接通時(shí)，會(huì)對(duì)小信號(hào)進(jìn)行提升，使得噪聲電平也相應(yīng)提高。信噪比的典型值為45～55dB，若為50dB，則圖像有少量噪聲，但圖像質(zhì)量良好；若為60dB，則圖像質(zhì)量?jī)?yōu)良，不出現(xiàn)噪聲，信噪比越大說(shuō)明對(duì)噪聲的控制越好。

品性較量：優(yōu)劣勢(shì)分析

據(jù)悉，隨著數(shù)字網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的發(fā)展和普及，圖像傳感器正逐漸從CCD獨(dú)大向CCD和CMOS并舉的態(tài)勢(shì)轉(zhuǎn)變。先不去探討此觀點(diǎn)的正確性，下面筆者先參照上文中提及的圖像傳感器技術(shù)指標(biāo)，來(lái)具體比較CCD和CMOS兩者的優(yōu)劣勢(shì)。

據(jù)蘇州科達(dá)科技有限公司監(jiān)控產(chǎn)品經(jīng)理郭俊偉表示：“CCD和CMOS兩種傳感器各有長(zhǎng)短，CMOS傳感器具備低成本、高集成度、高速率、底功耗等優(yōu)勢(shì)；而CCD能提供更好的感光度和更好的圖質(zhì)，可謂可有千秋。”

·像素構(gòu)成?？七_(dá)郭俊偉表示：“CCD由于像素點(diǎn)中沒(méi)有放大電路，其光電二極管的感光面較大，所以相比同尺寸的CMOS能提供更好的感光度和更大分辨率。但因?yàn)樗须姾啥家饌€(gè)像素移位，在經(jīng)過(guò)放大器處理，由此制造工藝要遠(yuǎn)比CMOS復(fù)雜且成品率低，所以CCD的成本要遠(yuǎn)比CMOS高。”

·數(shù)據(jù)讀取效率。科達(dá)郭俊偉同時(shí)表示：“CMOS具備高速的讀取效率，對(duì)于處理高分辨的大量數(shù)據(jù)具有天然的優(yōu)勢(shì)。一但其制作工藝成熟后且便于與其它SOC集成。其整體方案的成本要明顯優(yōu)于CCD。同時(shí)，基于它的像素結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，它的功耗相對(duì)較小。”

·感光度。據(jù)悉，由于CMOS傳感器每個(gè)電荷都先經(jīng)放大再轉(zhuǎn)移，帶來(lái)問(wèn)題就是噪聲多而影響圖像品質(zhì)。加上其每個(gè)像素點(diǎn)中都含有放大器件，縮小了單位感光面積，所以它的感光度明顯不如CCD；

·成像效果。四川艾普視達(dá)數(shù)碼科技有限公司市場(chǎng)部經(jīng)理范清華表示：“CCD因?yàn)楦泄忪`敏度較好，故在低照度下的成像具有優(yōu)勢(shì)，而CMOS的高像素優(yōu)勢(shì)，在高清監(jiān)控時(shí)由于數(shù)據(jù)處理量大，CCD實(shí)現(xiàn)起來(lái)成本相對(duì)較高，故多以CMOS傳感器居多。”

· 曝光時(shí)間。艾普視達(dá)范清華表示：“CCD通常采用Global Shutter快門(mén)方式，曝光時(shí)間更短，適合道路抓拍場(chǎng)合應(yīng)用。由于CMOS多是采用Rolling Shutter電子快門(mén)方式，當(dāng)物體移動(dòng)較快時(shí)，會(huì)出現(xiàn)部分曝光、傾斜、抖動(dòng)等現(xiàn)象，廠商方面也有開(kāi)始著手在CMOS上使用Global Shutter技術(shù)，或者是通過(guò)長(zhǎng)延時(shí)閃光燈來(lái)解決現(xiàn)有Rolling Shutter模式下的閃光同步問(wèn)題。”

目前，在各主力廠商的不斷努力下，新的CMOS器件不斷推陳出新，高動(dòng)態(tài)范圍CMOS器件已經(jīng)出現(xiàn)，這一技術(shù)消除了對(duì)快門(mén)、光圈、自動(dòng)增益控制及伽瑪校正的需要，使網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)接近且超過(guò)CCD的成像質(zhì)量。另外由于CMOS先天的可塑性，可以做出高分辨率像素的大型CMOS感光器而成本卻不上升多少。相對(duì)于CCD，CMOS作為新生事物而展示出了蓬勃的活力。作為百萬(wàn)像素高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的核心部件，CMOS圖像傳感器以已經(jīng)有逐漸取代CCD感光器的趨勢(shì)。

結(jié)語(yǔ)

在采訪中，大部分廠商均表示：CCD必將會(huì)被CMOS傳感器所取代。如天地偉業(yè)郭輝表示：“目前來(lái)看，CCD因技術(shù)成熟，目前應(yīng)用還較多，但是隨著市場(chǎng)需求的擴(kuò)大和技術(shù)的進(jìn)步，未來(lái)更看好CMOS。”

同樣，艾普視達(dá)范清華從市場(chǎng)需求上也提出：“目前市場(chǎng)上的CMOS器件的發(fā)展已經(jīng)可以達(dá)到4000萬(wàn)像素，而目前我們的安防視頻監(jiān)控?cái)z像機(jī)產(chǎn)品主要還是210萬(wàn)像素、300萬(wàn)像素和500萬(wàn)像素，從像素上來(lái)說(shuō)，無(wú)論監(jiān)控?cái)z像機(jī)如何發(fā)展，CMOS傳感器已經(jīng)足夠滿足安防視頻監(jiān)控的應(yīng)用。”筆者認(rèn)為，CCD和CMOS傳感器的較量，先不去關(guān)注誰(shuí)輸誰(shuí)贏，但從中可總結(jié)一個(gè)道理：市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)是殘酷的，從來(lái)就不會(huì)有誰(shuí)先來(lái)后到的游戲規(guī)則，法則只有一個(gè)優(yōu)勝劣汰，要想持續(xù)占領(lǐng)市場(chǎng)，隨市場(chǎng)需求而變、求精、求極致、求突破，才是不敗之道。