CCD和CMOS是當(dāng)前主要的兩項(xiàng)成像技術(shù),，它們產(chǎn)生于不同的制造工藝背景,，就當(dāng)前技術(shù)言仍各具優(yōu)劣。選擇CCD或CMOS攝像機(jī)應(yīng)依據(jù)適用環(huán)境和要求,，合適選用CCD或CMOS技術(shù),，便能使圖像監(jiān)控達(dá)到預(yù)期的效果。另外,，還可看到,，COMS作為極具發(fā)展?jié)摿Φ某上窦夹g(shù)，較CCD有著更強(qiáng)勁的優(yōu)勢(shì),。本文將對(duì)CCD和CMOS主要技術(shù)作簡(jiǎn)要分析，并作出選擇判斷,。
無(wú)論是交通抓拍,，還是高清視頻監(jiān)控，只要應(yīng)用到視覺(jué)成像技術(shù),，就會(huì)涉及到感光傳感器——即CCD或CMOS成像技術(shù),。
CCD和CMOS主要技術(shù)特性比較
對(duì)于交通抓拍和視頻監(jiān)控，對(duì)前端成像傳感器CCD和CMOS比較關(guān)注的技術(shù)特性主要有以下幾點(diǎn),。
電子快門(mén)Electronic Shutter
電子快門(mén)用來(lái)控制芯片從開(kāi)始到結(jié)束的電荷積分時(shí)間,。由于CCD芯片暴露在光線下，即使把電荷轉(zhuǎn)移也還會(huì)有電荷累積,。因此,，如果被測(cè)的是運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，就會(huì)產(chǎn)生常說(shuō)的Smear(拖影)現(xiàn)象,。CCD是用行間轉(zhuǎn)移(ILT)的方式解決電荷累積問(wèn)題的,，每個(gè)像素被分為感光區(qū)和電荷轉(zhuǎn)移區(qū)，電荷轉(zhuǎn)移區(qū)不感光，這樣在曝光結(jié)束時(shí)先將電荷一次性轉(zhuǎn)移到轉(zhuǎn)移區(qū),，再讀出,，這樣讀出過(guò)程就沒(méi)有電荷積分，不會(huì)產(chǎn)生因目標(biāo)運(yùn)動(dòng)而引起的Smear現(xiàn)象,。但顯然ILT方式減少了像素的感光面積,，降低了靈敏度。這時(shí),，通常在像素上增加微透鏡來(lái)收集更多的電荷,。
CMOS芯片上電荷都是在每個(gè)像素上讀出的，不存在CCD芯片的問(wèn)題,，它的電子快門(mén)分Rolling shutter和Global shutter兩種,，Rolling shutter通常采用的都是3T像素結(jié)構(gòu)，每次僅能對(duì)一行像素進(jìn)行曝光控制(如圖1-1),，即一行曝光后再對(duì)下一行進(jìn)行曝光,，這樣就會(huì)出現(xiàn)如圖1-2所示的情形。Global shutter的芯片需要具備5T的結(jié)構(gòu),，使整幅圖像所有像素同時(shí)開(kāi)始和結(jié)束曝光,，圖1-3是Global shutter的成像效果。但5個(gè)光電二極管的結(jié)構(gòu)同樣減小了感光面積,，這也可以通過(guò)增加微透鏡的方式來(lái)彌補(bǔ),。
幀率：Frame Rate
另外一個(gè)需要重點(diǎn)考慮的是幀率。對(duì)于CCD感光器來(lái)說(shuō),，抓拍和監(jiān)控速度主要受制于電荷的讀出速度,，讀出時(shí)鐘又決定了電荷讀出速度的快慢，分辨率越高,，CCD芯片讀出的速度就越慢,。實(shí)際上，讀出時(shí)鐘的上限取決于光-電轉(zhuǎn)換的讀出放大器的帶寬,，更高的讀出速率要求有更寬的帶寬;但另一方面,，帶寬越大又會(huì)帶來(lái)更多的噪聲，同時(shí)高速高帶寬的讀出放大器功率也會(huì)增加,。因此,，對(duì)CCD感光器而言，高速是在像素分辨率,、噪聲,、功耗之間的平衡。多通道可以在一定程度上解決讀出速度的問(wèn)題,，將圖像分成多個(gè)區(qū)域,，分別用讀出放大器讀出，再進(jìn)行拼合。由于多通道電路使攝像機(jī)體積更大,、功耗更高,，故不適合于所有應(yīng)用。
對(duì)于CMOS芯片而言,，以單個(gè)像素為單位將電荷轉(zhuǎn)化為電壓,，讀出放大器就不再需要提高速度來(lái)支持更高的幀率。因此,，CMOS芯片更易獲得更高幀率,。與此同時(shí)，與CCD不一樣,，CMOS得到的圖像數(shù)據(jù)能夠清零而無(wú)需被讀出,。這就解決了機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)僅對(duì)圖像里感興趣區(qū)域成像、只需讀出部分圖像信息的問(wèn)題,。當(dāng)只需讀出感興趣區(qū)域的應(yīng)用場(chǎng)合,，CMOS芯片能夠在不增加像素頻率的基礎(chǔ)上支持更高的幀率。
微光成像(低照度成像)Low-light Operation
當(dāng)需要在微光下成像時(shí),，CCD和CMOS感光器采用的技術(shù)是不同的,，在微光條件下，讀出放大器非常重要,，CCD采用統(tǒng)一的放大器讀出,，相應(yīng)的，一致性比CMOS要好,。微光條件意味著信號(hào)和噪聲的量級(jí)接近,，噪聲對(duì)圖像的質(zhì)量影響會(huì)很大。每個(gè)CMOS感光器像素上的讀出放大器都是低帶寬放大器,，比CCD感光器中用的高帶寬放大器噪聲更小,，因此，可以通過(guò)提高信號(hào)增益來(lái)獲得更好的信噪比,。而通常CCD比CMOS的填充因子要高，同樣條件下收集的電荷數(shù)會(huì)更多,。同時(shí)CCD可以通過(guò)電荷倍增技術(shù),，在讀出前，通過(guò)多級(jí)的電荷倍增,，每次增加小幅度增益,，獲得更高的信噪比。此外,，像素組合功能(Binning)也可以提高CCD的靈敏度,，對(duì)N個(gè)像素進(jìn)行Binning可將信噪比提升N倍。CMOS也可以進(jìn)行類似的Binning，往往是對(duì)相鄰像素電壓信號(hào)進(jìn)行采樣疊加,，由于采樣也會(huì)引入一定的隨機(jī)噪聲,，因此，CMOS中對(duì)N個(gè)像素進(jìn)行Binning所得的信噪比的提升只能達(dá)到倍,。非可見(jiàn)光成像Other Wavelenghs
CCD和CMOS感光器在對(duì)可見(jiàn)光以外的光譜成像方面也有很大的不同,，如紅外光(IR)射到傳感芯片上時(shí)會(huì)比可見(jiàn)光打得更深，因此要想充分收集這些電荷,，就需要將硅襯底做得更厚些,。這對(duì)于CCD芯片，在工藝上會(huì)容易些,。而對(duì)于CMOS,，工藝還會(huì)有些問(wèn)題。將感光部分硅襯底做得更厚,，意味著要將其他的光電二極管做得同樣厚,，這樣會(huì)影響這些控制門(mén)、放大器等器件的性能,。
對(duì)于紫外光(UV),，無(wú)法透過(guò)大多數(shù)集成電路電極層，或者是電路電機(jī)層對(duì)紫外線根本不響應(yīng),。這就導(dǎo)致如果采用前照的方式,，紫外光引起的響應(yīng)會(huì)很弱，要解決這個(gè)效應(yīng)問(wèn)題,，可以通過(guò)去掉基底層,，采用背照的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。CCD感光器的減薄技術(shù)已經(jīng)非常成熟,，而CMOS的減薄技術(shù)也取得了很大的突破,。
CCD還是CMOS?作出選擇
從CCD和CMOS感光器對(duì)電子快門(mén)、幀率,、微光成像及非可見(jiàn)光成像的不同工藝技術(shù)所帶來(lái)的不同影響,，可以不難看出，選擇CCD或CMOS傳感器應(yīng)取決于具體應(yīng)用(圖2),。對(duì)于需要微光或非可見(jiàn)光成像的應(yīng)用,，CCD技術(shù)的優(yōu)勢(shì)非常明顯;對(duì)于需要高幀率和低能耗的應(yīng)用，或需要對(duì)一些感興趣區(qū)域成像的應(yīng)用,，CMOS則是更好的選擇;如果對(duì)電子快門(mén)有特別的需求,，這兩種技術(shù)則各有利弊。
圖2 CCD內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖
可以看到,，對(duì)于交通抓拍而言,，傳感器必須要Global shutter的,，這樣才能避免車牌的變形(圖3);同時(shí)，如果對(duì)夜間效果要求比較高,，最好是選擇靈敏度高的傳感器(CCD或者高端CMOS芯片);而為了避免產(chǎn)生拖影擋住車牌,，應(yīng)選擇CMOS，以有效彌補(bǔ)這個(gè)缺陷;而對(duì)于視頻監(jiān)控而言,，圖像的實(shí)時(shí)性和流暢性更為重要,，所以幀率更具優(yōu)勢(shì)的CMOS就成為最佳選擇。
針對(duì)交通抓拍和高清視頻監(jiān)控,，現(xiàn)在有廠商推出將各類主要成熟技術(shù)集成在高端CMOS傳感器上的整體解決方案,。
CMOS后勁勃發(fā)
CCD和CMOS的主要區(qū)別是感光單元及讀出電路結(jié)構(gòu)不同而導(dǎo)致制造工藝的不同。CCD感光單元實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換后,，以電荷方式存貯并以電荷轉(zhuǎn)移的方式順序輸出,，需要專用的工藝制程實(shí)現(xiàn)。CMOS圖像感光單元為光電二極管,，可在通用CMOS集成電路工藝制程中實(shí)現(xiàn),，除此之外還可將圖像處理電路集成，實(shí)現(xiàn)更高的集成度和更低的功耗,。
由于CCD技術(shù)出現(xiàn)較早,，相對(duì)成熟，占據(jù)了絕大部分的高端市場(chǎng),。早期CMOS與CCD相比,，僅只功耗與成本優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)在隨著CMOS技術(shù)的不斷進(jìn)步,，性能已不斷提升,，而CCD技術(shù)提升空間有限，進(jìn)步緩慢,。
目前,，圖像傳感器技術(shù)趨勢(shì)是向高速發(fā)展，而CMOS是高速成像所青睞的技術(shù),。有資料說(shuō),，高速圖像傳感器有三大發(fā)展動(dòng)向，一是向超高速,、二是向單片上多功能集成,、三是向通用高速圖像傳感器方向發(fā)展。
現(xiàn)在,，CMOS不僅占據(jù)幾乎全部的便攜產(chǎn)品和部分高端DSC(Digital Still Camera)市場(chǎng)，更是向CCD傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)市場(chǎng)——監(jiān)控市場(chǎng)發(fā)起了沖擊,。
結(jié)語(yǔ)
CMOS作為上升的感光傳感器技術(shù),，盡管現(xiàn)在仍有一些性能比不上CCD,，但CCD和CMOS在制造上的主要區(qū)別是CCD是集成在半導(dǎo)體單晶材料上，而CMOS是集成在被稱做金屬氧化物的半導(dǎo)體材料上,，工作原理沒(méi)有本質(zhì)區(qū)別,，CCD制造工藝較復(fù)雜。目前CCD和CMOS實(shí)際效果的差距已大大縮小,，與CCD相比,，CMOS體積小、耗電量低,、成本低廉;CMOS是標(biāo)準(zhǔn)工藝制造,，可利用現(xiàn)有半導(dǎo)體設(shè)備，品質(zhì)可隨半導(dǎo)體技術(shù)的提升而進(jìn)步;CMOS傳感器具有高度系統(tǒng)整合的條件,，即圖像傳感器所需的功能,，都可集成在一顆晶片上。