原创 CCD与CMOS成像器在摄像手机中的工作方式比较

　　CCD(电荷耦合器件)和CMOS(互补金属氧化物半导体)图像传感器都用来捕获数字图像，但各有优缺点。

　　本文介绍了各自的功能及其优缺点，特别是在满足摄像手机市场要求方面。对大多数摄像手机设计来说，成像传感器的部分具体要求包括：

　　* PC电路板上的空间异常宝贵，因此首选体积非常小的器件
　　* 需要非常低的功耗，以延长电池工作时间
　　* 大批量、可靠、优质制造，保证在购买旺季时向消费者不间断提供产品
　　* 缩减成本，使手机价格保持在消费者可以接受的水平
　　* 异常强健 (必须通过破坏数字静止摄像机的下落测试)

　　CCD技术是在20世纪70年代和80年代开发的，经过大约30年的生产和制造工艺改进，CCD成像器已经高度优化，可以产生最优秀的数字图像质量。今天，它们已经成为数字静止摄像机和便携式摄像机的流行技术。与CMOS不同，CCD采用专用成像特定工艺制造，装配和维护成本较高，只能在数量有限的成像器输出中分摊成本，其输出数量一年只有几百万颗，相比之下，CMOS处理器的输出数量要达到几千万或几亿。

　　CMOS图像传感器要小得多，其功耗要低于CCD传感器，但目前提供的图像质量较差。CMOS已经成为手机、视频会议使用的PC摄像机、扫描仪、条形码阅读机和安全摄像机的支柱。CMOS成像器采用大批量铸造厂中采用的标准CMOS硅工艺，因此CMOS成像器中也实现了主流CMOS半导体行业中的工艺改进或材料改良。在CMOS中，可以在同一个制造工艺中简便地集成时钟驱动器、模数转换器(ADC)或数字逻辑等电路，甚至可以在同一张芯片上制造这些电路。

　　对CCD传感器和CMOS传感器来说，最终图像的质量都受到以下几种因素的影响：

　　* 图像信号中引入的噪声
　　* 几何畸变 (鞍形畸变或桶形畸变)
　　* 图片的清晰度和焦距
　　* 曝光度或明亮度
　　* 色彩质量

　　过去的处理器中的大部分电路是为了“清除”和校正图像捕获环节引入的图像不理想而设计的。

　　CCD图像传感器的工作方式

　　在CCD中(图1)，对每个像素，光落在一个光电二极管上，光电二极管产生一个与落在上面的光的数量直接成比例的电荷。在光电二极管旁边的每个图像元件上的电荷传送寄存器(CTR)中捕获形成的电荷。这个电荷从A行的CTR传送到读数寄存器(R行)中。读数寄存器把这一电荷馈送到放大器中，然后馈送到模数转换器(ADC)，之后进行复位，以便能够从下一行(B行)像素中接受电荷，然后再次传送到输出放大器，之后传送到ADC上。这一过程一直重复，直到读取了所有行。A行上的电荷与B行上的电荷耦合，B行上的电荷与C行上的电荷耦合，依此类推。在A上的电荷到达R时，B移动到A，C移动到B，依此类推。

　　通过这种方法，可以实现噪声非常低的高性能传感器。但是，这种专门化意味着其它电路必须位于芯片之外，因此增加了设计复杂度和成本。由于CCD成像器正常运行还需要许多时钟信号和偏置电压，因此进一步提高了功耗，增加了成本，加大了整体尺寸。

　　CCD的优点

　　CCD成像器提供更加自然的色彩，大大改善了低亮度时的性能，提高了清晰度。另外，CCD成像器的质量一致性更高，同一部件之间的变化非常小。

　　CCD的缺点

　　CCD成像器主要的缺点是成本高。CCD成像器设计也更加复杂，它不是单芯片器件，因此在手机设计中实现的成本要更高。CCD成像器通常需要更多的支持芯片，这些芯片要占用额外的空间，要耗用功率，发出更多的热量。

　　CMOS图像传感器的工作方式

　　CMOS成像器(图2)也有一个图像元件，其中包含一个光电二极管。但是CMOS成像器不在芯片的单独部分或在芯片外存储或处理电荷，而是在光电二极管旁边进行处理。这种处理包括电荷到电压转换、放大非常低的光电二极管信号及降低噪声等其它处理。这样可以降低功耗，加快图像处理速度。但是，这种“图像元件上”的处理电路也有自己的缺点。电荷转换和放大占用了额外的空间，降低了捕获光子使用的空间。这导致CMOS的占空系数低于CCD。

　　占空系数是采集光线专用的一个像素所占的百分比。对CCD传感器来说，占空系数是100%，而对一般的优秀CMOS传感器来说，占空系数更可能在60–70%之间。这意味着CMOS传感器在低亮度条件下传感能力较差。通过降低处理电路容量，可以提高CMOS传感器的占空系数，微型透镜可以帮助聚焦进入图像元件非光电二极管部分的光线重定向到光电二极管上。

　　互连的金属层使得每个像素可以直接寻址，也可以使用一个简单的x-y寻址方案实现定时和读数，并直接接入每个图像元件。而CCD技术则需要逐行读取电荷。网格上的列线路连接到解码电路上。

　　CMOS成像器在输出信号中一般噪声更高。其原因之一是CMOS成像器对每个图像元件有一个转换器和放大器，由于制造和工艺变化，每个转换器/放大器与相邻图像元件中的转换器/放大器略有不同。这会导致在图像信号各个部分增加不同程度、不同类型的噪声，从而提高整体噪声的程度及噪声总量。另一方面，CCD成像器对整个像素阵列只有一个转换器和放大器，因此图像信号要更加一致，且可以分布增加到信号中的噪声。

　　安捷伦超小型百万像素CMOS传感器是为摄像手机而优化的，在同一个芯片上内置图像处理和JPEG压缩功能，节约了摄像手机设计人员的时间和空间。它还生成预先压缩的快速数据输出，可以明显提高发送图像或者在手机相册中存储图像的速度。图3是Agilent 3850 SXGA传感器，这是一种单芯片CMOS传感器及具有JPEG压缩功能的数字图像信号处理器。

　　CMOS的优点

　　功耗低：CMOS传感器在操作时可能只会消耗30-60mW的功率。在备用模式下，许多手机制造商首选无源功耗不超过100μA。

　　体积小，实现功能集成：由于手机内外空间非常匮乏，基于CMOS的摄像机是一个自然之选。CMOS传感器可以简便地把图像捕获和后期处理功能融合到一个芯片系统上。减少芯片数量意味着降低封装复杂度，提高大批量制造的可靠性。它还有助于提升可靠性，简化微型化，缩减整体成本。

　　迅速设计，缩短产品开发周期：CMOS图像传感器要更加简单，因此应用设计更加简便、更迅速。它们可以加快产品开发周期，特别是更新换代很快的消费品，如手机或DSC。

　　价格低：CMOS成像器采用CMOS的标准制造工艺，价格要低得多。

　　CMOS的缺点

　　* 为在降低黑色噪声的情况下生成明亮的图片，需要的光线要高于CCD
　　* 制造变化的一致性不如CCD成像器
　　* 对成像领域相对较新，因此不像CCD那样经过验证
　　* 不能支持非常高的分辨率(一般超过500万像素)

　　附图：

作者介绍：
Feisal Mosleh是移动成像业务分部全球市场经理，该部门为世界上许多最大的手机制造商提供CMOS传感器和图像处理器。在加入安捷伦以前，Feisal先后担任Vernier Networks、Agiliti和Jamcracker公司的市场副总裁及其它产品管理职位。他还经营过自己的战略市场顾问公司。

Feisal曾在惠普公司从事多年的B2B新兴企业业务。在1999年前，他领导惠普以互联网业务为重点的全球风险投资工作，并筹建了惠普电子商务风险投资基金。此前，他负责惠普互联网软件事业部的市场宣传和业务拓展工作。Feisal跨越多个职能机构的经验有：多次领导重大软件开发项目，管理销售团队购买新兴网络企业的股权。

在加入惠普公司以前，Feisal负责IBM英国公司的分布式交易处理业务的销售和市场工作。他在IBM英国Hursley实验室开始自己的职业生涯，在那里开发关键事务型软件，如CICS和MQ。

Feisal从伦敦大学皇家学院获物理学学士学位(荣誉学位)，从英格兰达拉谟大学荣获电子工程硕士学位。