CCD與CMOS
首先我們要知道CMOS和CCD分別代表什麽。
CMOS其實是互補金屬氧化物半導體的縮寫，中文叫互補金屬氧化物半導體。CCD是電荷耦合器件的縮寫，意思是電荷耦合器件。妳覺得尷尬嗎？CMOS和CCD比較悅耳。
CCD傳感器的名字來源於捕捉圖像後如何讀取電荷。通過使用特殊的制造技術，傳感器可以在不影響圖像質量的情況下傳輸累積的電荷。整個像素區域可以看作壹個矩陣，每個矩陣單元就是壹個像素。
01、CMOS和CCD的微結構
CCD的基本感光單元是MOS(金屬氧化物半導體電容)，用作光電二極管和存儲器件。
典型的CCD器件有四層:(a)摻硼矽襯底，(b)溝道停止層，(c)二氧化矽層，和(d)用於控制的多晶矽柵電極。當柵電壓較高時，氧化層下會產生勢阱。入射的光子可以激發勢阱中的電子，這些電子可以被收集和引導，周圍的摻雜區可以防止被激發的電子泄漏。
利用CCD相機產生圖像可分為四個主要階段或功能:通過光子與器件光敏區的相互作用產生電荷、收集和存儲釋放的電荷、電荷轉移和電荷測量。
①信號電荷的產生:CCD工作過程的第壹步是電荷的產生。CCD可以將入射光信號轉換成電荷輸出，這是基於半導體內部的光電效應(光伏效應)。
②信號電荷的存儲:CCD工作過程的第二步是信號電荷的收集，即將入射光子激發的電荷收集成信號電荷包的過程。
③信號電荷的傳輸(耦合):CCD工作過程的第三步是信號電荷包的傳輸，即將收集到的電荷包從壹個像素傳輸到下壹個像素，直至所有電荷包輸出的過程。
④信號電荷的檢測:CCD工作過程的第四步是電荷檢測，即將轉移到輸出級的電荷轉化為電流或電壓的過程。
CMOS的微觀結構:和CCD最大的區別是電荷的傳輸方式不同。CMOS使用金屬線傳輸。CMOS像素操作示意圖。傳感器像素(反向偏置二極管)連接到讀出芯片中的像素電子器件。
02、CMOS和CCD傳感器工作原理
CMOS外觀:包括像素、數字邏輯電路、信號處理器、時鐘控制器等。
CCD外觀:它包括水平和垂直移位寄存器、水平和垂直移位寄存器的時鐘控制器以及輸出放大器。把這兩種傳感器抽象壹下，有以下兩個電路圖。
CCD傳感器原理圖。CCD本質上是壹個半導體“桶”的大陣列，可以將入射的光子轉化為電子，並保持積累的電荷。這些電荷可以通過垂直移位寄存器向下轉移到水平移位寄存器，水平移位寄存器可以將電荷轉換成電壓輸出。
CMOS傳感器原理圖。互補金屬氧化物半導體的設計不是轉移電荷桶，而是將電荷立即轉換成電壓，在微線上輸出電壓。
CMOS圖像傳感器原理圖。CCD在過程結束時將電荷轉換為電壓，而CMOS傳感器在開始時執行這種轉換(因為每個像素都包含壹個電壓轉換器)。然後通過小巧節能的微絲輸出電壓。
全幅CCD是最簡單的傳感器，可以以非常高的分辨率生產。它們只有單線傳輸寄存器作為緩沖，快門速度無法通過傳感器控制設置。因此，傳感器必須位於機械快門之後，因為光敏傳感器的表面只能在曝光時間內曝光。全幀CCD主要用於科學和天文學中的攝影目的。
在曝光時間結束時，來自傳感器單元的電荷被同時轉移到所有像素的中間存儲器，並通過垂直和水平位移從其中讀出。線間傳輸CCD的優點是可以快速完整地接收來自傳感器單元的圖像信息，不需要機械鎖進行中間存儲。這種設計的缺點是傳感器的填充系數較低，會導致對光的敏感度下降，或者在弱光下更容易產生噪點。
曝光後，存儲的圖像或單元中的電荷將非常快速地轉移到轉移寄存器。然後，以與全幀CCD相同的方式從傳輸寄存器中讀取電荷。
結合線對線和全幅CCD的原理。利用這種結構，有源傳感器單元的電荷可以非常快速地轉移到中間存儲單元，並且從那裏，它可以同樣快速地轉移到完全不透明的轉移寄存器。關於CCD的工作原理，有壹個區域測雨的經典比喻。
CCD的串行讀出方式可以通過鬥旅測量區域雨量來指示。落在桶陣列上的降雨強度可能因地而異。類似於成像傳感器上的入射光子，這些桶在集成期間收集不同量的信號(水)，並且桶被傳輸到傳送帶上的代表串行桶陣列的清空桶。壹整行桶被並行移動到串行寄存器組。
串行移位和讀出操作，其中每個桶中累積的雨水被描繪成順序地轉移到校準的測量容器，該測量容器類似於CCD輸出放大器。當串行傳送帶上的所有容器的內容物被順序測量時，另壹個並行寄存器移位將下壹個收集桶的內容物轉移到串行記錄容器，並且重復該過程，直到每個桶(像素)的內容物被測量。
03.結論
有了前面的了解，我們就可以直接得出結論了。CCD和CMOS傳感器的主要區別在於處理每個像素的方式:CCD將光生電荷從壹個像素移動到另壹個像素，並在輸出節點轉換為電壓。CMOS成像器在每個像素上使用多個晶體管，將每個像素中的電荷轉換為電壓，以使用更傳統的導線放大和移動電荷。
CCD和CMOS傳感器的區別:CCD像素產生的電荷需要先寄存在垂直寄存器中，然後再分支壹分支地轉移到水平寄存器中，最後分別測量每個像素的電荷並放大輸出信號。而CMOS傳感器可以在每個像素產生電壓，然後通過金屬線傳輸到放大器輸出，速度更快。
CCD將光生電荷從壹個像素移動到另壹個像素，並在輸出節點將其轉換為電壓。CMOS成像器在每個像素上使用多個晶體管，將每個像素中的電荷轉換為電壓，以使用更傳統的導線放大和移動電荷。
CCDVSCMOS .
與CCD相比，CMOS有壹些明顯的優勢:
CMOS傳感器比CCD具有更快的數據檢索速度。在CMOS中，每個像素單獨放大，而不是在CCD的公共節點處理數據。這意味著每個像素都有自己的放大器，處理器消耗的噪聲可以在像素級調低，然後放大以獲得更高的清晰度，而不是在末端節點壹次性放大每個像素的原始數據。
CMOS傳感器更節能，生產成本更低。它們可以通過重復使用現有的半導體來制造。這些電路的功耗也比CCD中的高壓模擬電路低。CCD傳感器的圖像質量優於CMOS傳感器。但CMOS傳感器在功耗和價格上優於CCD傳感器。
讀取CMOS圖像傳感器
1873年，科學家約瑟·梅和威洛比史密斯·米夫發現硒晶體暴露在光線下後可以產生電流。於是，開始了電子圖像的發展，隨著技術的演進，圖像傳感器的性能逐漸提高。20世紀1.50s——光電倍增管(PMT)出現。2.1965 —1970，IBM和飛兆等公司開發了光電和雙極二極管陣列。3.1970，CCD圖像傳感器發明於貝爾實驗室，以其高量子效率、高靈敏度、低暗電流、高壹致性、低噪聲成為圖像傳感器市場的主導。90年代末，我們進入了CMOS時代。
用於國際空間站的CCD相機
1.1997年，卡西尼國際空間站使用CCD相機(廣角和窄角)。
2.美國國家航空航天局導演丹尼爾·戈爾丁稱贊CCD相機“更快、更好、更便宜”；據稱，減少未來航天器的質量、功率和成本將需要小型化的相機。電子集成是小型化的好方法，基於MOS的圖像傳感器有無源像素和有源像素(3T)配置。
圖像傳感器的歷史演變——CMOS圖像傳感器
1.CMOS圖像傳感器使“芯片相機”成為可能，相機小型化趨勢明顯。
2.2007年，Siimpel AF相機模型的出現標誌著相機小型化的重大突破。
3.芯片相機的興起為許多領域(汽車、軍事和航天、醫療、工業制造、手機攝影、安防)的技術創新提供了新的機遇。
CMOS圖像傳感器即將商業化。
1.1.995 2月成立Photobit公司，將CMOS圖像傳感器技術商業化。
2.1995-2001年，Photobit的數量增加到約135，主要包括:私人企業籌集的定制設計合同、SBIR計劃(美國國家航空航天局/國防部)的重要支持以及戰略業務夥伴的投資。在此期間，* * *提交了超過100份新專利申請。
3.商業化後，CMOS圖像傳感器發展迅速，應用前景廣闊，逐步取代CCD成為新趨勢。
CMOS圖像傳感器的廣泛應用
2001，11，Photobit被美光科技公司收購，並獲得許可回到加州理工學院。同時，到2001，出現了幾十個競爭對手，如東芝、意法半導體、Omnivision、CMOS圖像傳感器業務，部分原因是早期努力推動技術成果轉化。後來索尼和三星分別成為全球市場第壹和第二。後來美光分拆Aptina，Aptina被ON Semi收購，目前排名第四。CMOS傳感器逐漸成為攝影領域的主流，在很多場合得到廣泛應用。
CMOS圖像傳感器的發展歷程
70年代:飛兆，80年代:日立，80年代初:索尼，1971:FDA &的發明；CDS技術。80年代中期:在消費市場實現重大突破；1990: NHK/Olympus，放大MOS成像儀(AMI)，即CIS，1993: JPL，CMOS有源像素傳感器，1998:單片相機，2005年後:CMOS圖像傳感器成為主流。
CMOS圖像傳感器技術簡介
cmos圖像傳感器
CMOS圖像傳感器是模擬電路和數字電路的集成。主要由微透鏡、濾色器(CF)、光電二極管(PD)和像素設計四部分組成。
1.微透鏡:具有球面和網狀透鏡；當光線穿過微透鏡時，CIS的非活動部分負責收集光線並將其聚焦在彩色濾光片上。
2.濾色器(CF):反射光中的紅、綠、藍(RGB)分量被分離，由光敏元件組成拜耳陣列濾光片。
3.光電二極管(PD):作為光電轉換器件，它捕捉光線並將其轉換為電流；壹般由PIN二極管或PN結器件制成。
4.像素設計:通過組裝在CIS上的有源像素傳感器(APS)實現。APS通常由3到6個晶體管組成。它可以從大型電容器陣列中獲取或緩沖像素，並將光電流轉換為像素內部的電壓，具有完美的靈敏度水平和良好的噪聲指數。
拜耳陣列過濾器和像素
1.光敏元件上的每個方塊代表壹個像素塊，其上附著壹層濾色器(CF)。在CF分離反射光中的RGB分量之後，由光敏元件形成拜耳陣列濾光器。經典的Bayer陣列是以2x2 * * * RGB四格的方式成像，而Quad Bayer陣列擴展為4x4，RGB以2 x2的方式相鄰排列。微信官方賬號的機械工程文學作品，工程師的加油站！
2.像素，即亮或暗光條件下的像素數，是數字顯示的基本單位，其本質是壹種抽象的采樣，我們用彩色方塊來表示。
3.所示的像素填充有R(紅)、G(綠)和B(藍)三原色。每個小像素塊的長度指的是像素尺寸，圖示的尺寸是0.8微米..
拜耳陣列過濾器和像素
濾光片上的每個小方塊對應感光元件的像素塊，也就是在每個像素前面覆蓋壹個特定的彩色濾光片。比如紅色濾光片塊只允許紅光投射在感光元件上，所以對應的像素塊只反射紅光的信息。後面還需要還原顏色來猜顏色，最後形成壹張完整的彩色照片。感光元件→拜爾濾鏡→色彩還原的全過程稱為拜爾陣列。
前照式(FSI)和後照式(BSI)
在早期的CIS中，采用了FSI(FRONT-SIDE ILLUMINATED，前照式)技術，並且在拜耳陣列濾波器和光電二極管(PD)之間混合了金屬(鋁、銅)區域。大量金屬線的存在極大地幹擾了進入傳感器表面的光線，使得相當壹部分光線無法進入下壹層光電二極管(PD)，信噪比較低。經過技術改進，在BSI(正面發光)的結構下，金屬(鋁、銅)區域轉移到了光電二極管(PD)的背面，這意味著拜耳陣列濾光片收集的光線不再被許多金屬線阻擋，光線可以直接進入光電二極管；BSI不僅可以大大提高信噪比，還可以提高電路更復雜、規模更大的傳感器的讀取速度。
CIS參數-幀速率
幀率:以幀為單位的位圖圖像在顯示器上連續出現的頻率，即每秒可以顯示多少張圖片。為了實現高像素CIS的設計，模擬電路的設計非常重要。沒有匹配的高速讀出和處理電路，就沒有辦法以高幀率輸出。
索尼早在2007年就在川贛發布了第壹款Exmor傳感器。Exmor傳感器在每列像素下配備了獨立的ADC模數轉換器，這意味著模數轉換可以在CIS芯片上完成，有效降低了噪聲，大大提高了讀取速度，簡化了PCB設計。
CMOS圖像傳感器的應用
CMOS圖像傳感器的全球市場規模
2017是CMOS圖像傳感器的高增長點，同比增長20%。2018年全球CIS市場規模為155億美元，預計2019年將增長10%，達到17億美元。目前，獨聯體市場正處於穩定增長期。預計2024年市場將逐漸飽和，市場規模將達到240億美元。
CIS應用-車輛領域
1.CIS在車輛領域的應用包括:後視攝像頭(RVC)、全景系統(SVS)、攝像頭監控系統(CMS)、FV/MV、DMS/IMS系統。
2.汽車圖像傳感器的全球銷量在逐年增長。
3.後視攝像頭(RVC)是銷售主力，呈現穩定增長趨勢。2016年全球銷量51萬，2018年6000萬，2019年6500萬，2020年突破7000萬。
4.FV/MV's全球銷量增長迅速，2016年10萬輛，2018年3000萬輛。之後預計FV/MV仍將保持高速增長態勢，019年銷量4000萬輛，2021年銷量7500萬輛。
車內現場-HDR技術方法
1.HDR解決方案，即高動態範圍成像，用於實現比普通數字成像技術更大的曝光動態範圍。
2.時間復用。相同的像素陣列通過使用多個滾動屏幕(交錯HDR)來描繪多個邊界。優點:HDR方案是與傳統傳感器兼容的最簡單的像素技術。缺點:在不同時間發生的捕捉會導致運動偽影。
3.空間復用。將單個像素陣列幀分解成多個幀，用不同的方法捕捉:1。像素或行級別的獨立曝光控制。優點:單幀運動偽影比交錯運動偽影少。缺點:分辨率損失，運動偽影還有邊緣。2.每個像素使用相同微透鏡的多個光電二極管。優點:單個多捕捉幀沒有運動偽影；缺點:從等效像素面積來看，靈敏度降低。
4.非常大的油井產能。