图像传感器的龙象之争.ppt

图像传感器的龙象之争,CCD与CMOS,目录,一、图像传感器简介1.简介二、CCD2.结构与工作原理3.分类1.简介三、CMOS2.结构与工作原理3.分类四、CCD与CMOS的对比五、图像传感器的应用与发展趋势,图像传感器（imagetransducer），是指能感受光学图像信息并转换成可用输出信号的传感器，也是组成数字摄像头的重要组成部分。根据元件的不同，可以分为CCD(Charge-CoupledDevices)和CMOS（ComplementaryMetalOxideSemiconductor）两大类。,一、图像传感器简介,贝尔实验室的GeorgeSmith和WillardBoyle将发明了的CCD原型,现代CCD芯片外观,二、CCD,电荷耦合器件(Charge-CoupledDevices)简称CCD，是1970年由美国贝尔实验室首先研制出来的新型固体器件。作为MOS技术的延伸而产生的一种半导体器件。,1.简介,由于CCD具有光电转换、信息存储、延时和将电信号按顺序传送等功能,且集成度高、功耗低,因此得到飞速发展,是图像采集及数字化处理必不可少的关键器件,广泛应用于科学、教育、医学、商业、工业、军事和消费领域。,二、CCD,感光二极管（Photodiode）并行信号寄存器（ShiftRegister）-用于暂时储存感光后产生的电荷串行信号寄存器（TransferRegister）-用于暂时储存并行积存器的模拟信号并将电荷转移放大信号放大器-用于放大微弱电信号模/数转换器-将放大的电信号转换成数字信号,2.结构与工作原理,二、CCD,每个感光元件对应图像传感器中的一个像素点，由于感光元件只能感应光的强度，无法捕获色彩信息，因此彩色CCD图像传感器必须在感光元件上方覆盖彩色滤光片。,二、CCD,最常用的做法是覆盖RGB红绿蓝三色滤光片，以1：2：1的构成由四个像点构成一个彩色像素（即红蓝滤光片分别覆盖一个像点，剩下的两个像点都覆盖绿色滤光片），采取这种比例的原因是人眼对绿色较为敏感。,二、CCD,CCD,光信息,电脉冲,脉冲只反映一个感光元件的受光情况,输出脉冲的顺序可以反映一个感光元件的位置,完成图像传感,脉冲幅度的高低反映该感光元件受光照的强弱,二、CCD,CCD从功能上可分为线阵CCD和面阵CCD两大类。,二、CCD,二、CCD,面型CCD图像传感器由感光区、信号存储区和输出转移部分组成。左图所示结构由行扫描电路、垂直输出寄存器、感光区和输出二极管组成。行扫描电路将光敏元件内的信息转移到水平（行）方向上，由垂直方向的寄存器将信息转移到输出二极管，输出信号由信号处理电路转换为视频图像信号。,线型应用于影像扫瞄器及传真机上，而面型主要应用于数码相机（DSC）、摄录影机、监视摄影机等多项影像输入产品上。,二、CCD,三、CMOS,1.简介,CMOS（ComplementaryMetalOxideSemiconductor），互补金属氧化物半导体，电压控制的一种放大器件。是组成CMOS数字集成电路的基本单元。,1970年，CMOS图像传感器在NASA的喷气推进实验室制造成功。1997年，英国爱丁堡VLSIVersion公司首次实现CMOS图像传感器的商品化。,现代CMOS芯片外观,专家们认为，21世纪初全球CMOS图像传感器市场将在PC摄像机、移动通信市场、数码相机、摄像机市场市场等领域获得大幅度增长，在未来的几年时间内，在130万像素至200万像素之下的产品中，将开始以CMOS传感器为主流。以小型化和低功耗CMOS图像传感器为核心的摄像机正在成为消费类产品的主流，上述领域将为图像传感器市场带来巨大发展。,三、CMOS,2.结构与工作原理,CMOS图像传感器芯片结构框图,CMOS图像传感器像素阵列,三、CMOS,CMOS感光元件的构成比较复杂，除处于核心地位的感光二极管之外，它还包括放大器与模数转换电路，每个像素点的构成为一个感光二极管和三颗晶体管，而感光二极管占据的面积只是整个元件的一小部分，造成CMOS传感器的开口率远低于CCD（开口率：有效感光区域与整个感光元件的面积比值）；这样在接受同等光照及元件大小相同的情况下，CMOS感光元件所能捕捉到的光信号就明显小于CCD元件，灵敏度较低。,三、CMOS,三、CMOS,3.分类,CMOS,无源像素传感器PPS,有源像素传感器APS,数字像素传感器DPS,视觉传感器、应力传感器、指纹图像传感器、凹型传感器等,PPS,APS,DPS将模数转换集成在每一个像素单元里，每一像素单元输出的是数字信号。该器件的优点是高速数字读出，无列读出噪声或固定图形噪声，工作速度更快，功耗更低。,三、CMOS,Tx：开关管Col：列总线,M1：复位管M2：源跟随器M3：行选通管Col：列总线,四、CCD与CMOS的对比,光电转换,电荷收集,像元的光敏区,电荷转移,垂直和水平CCD,水平CCD后放大器,电荷-电压转换/放大,微型信号线,电压传递,CCD图像传感器,CMOS图像传感器,像元内放大器,电荷-电压转换/放大,四、CCD与CMOS的对比,主要差异：CCD传感器中每一行中每一个像素的电荷数据都会依次传送到下一个像素中，由最底端部分输出，再经由传感器边缘的放大器进行放大输出；而在CMOS传感器中，每个像素都会邻接一个放大器及A/D转换电路，用类似内存电路的方式将数据输出。造成这种差异的原因在于：CCD的特殊工艺可保证数据在传送时不会失真，因此各个像素的数据可汇聚至边缘再进行放大处理；而CMOS工艺的数据在传送距离较长时会产生噪声。因此，必须先放大，再整合各个像素的数据。,四、CCD与CMOS的对比,五、图像传感器的应用与发展趋势,CCD和CMOS技术大概都在60年代末、70年代初成型。发明CCD的初衷是为了进行数据存储。但是这一功能为后来的CMOS和磁介质所完全取代了。可是CCD并没有死亡，而是在影像记录方面大放异彩。从70年代开始，CCD就使用在录像机等产品中。80年代，CCD又开始被最早的数码相机所使用。而CCD传感器的许多影响画质的缺点也被逐一克服。30年来，CCD图像传感器已经完全成熟。,在电子技术高速发展的阶段，随着硅晶体技术的逐渐完善和加强，CMOS具有CCD无法替代的优势，在市场的占有率上CMOS将更有挑战性，越来越多的基于图像传感器的产品将尝试CMOS，使其应用广泛。,五、图像传感器的应用与发展趋势,目前，我国在CCD方面的技术还不成熟，与发达国家有很大的距离。在CMOS上已经有所突破，但高速摄像设备仍然依靠进口,谢谢！,