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MCCD与CCD、CMOS技术之比较
2014/1/20 15:50:00      来源:《中国安防》    作者:陈楚敏
“平安城市”是近期中国安防业发展的重要推动力,2011年起在全国范围内推行,预计“十二五”内将带动2400万个摄像头、约合1200亿元左右的行业产值。视频监控系统国内市场发展潜力巨大,预计到“十二五”末,国内监控摄像机的每千人拥有量将达到25台,同时考虑设备更新、出口产值增加的因素,预计2015年视频监控设备产值将超过1100亿元,CAGR(复合年均增长率)达到23%。摄像机作为监控领域前端设备的排头兵,未来的发展前景十分广阔,而作为摄像机核心部件的芯片,其一举一动都牵动着整个行业的神经。随着安防行业的需求越来越明确,已有越来越多的芯片厂家开始关注并主动去推广安防这个潜力巨大的市场,安防芯片市场有望成为继工业自动化、消费电子等领域之后一个新的利润聚焦点。然而,在中国这个全民缺失自主产权的核心芯片技术的时代,安防芯片的国产化和产业化同样成为中国安防企业抢占技术高地的掣肘,近期,由昆山锐芯微电子提出的一种全新的图像传感器架构——MCCD有望抢占中国安防芯片市场的先机,引领中国安防芯片技术的发展。


一、引言

 “平安城市是近期中国安防业发展的重要推动力,2011年起在全国范围内推行,预计十二五内将带动2400万个摄像头、约合1200亿元左右的行业产值。视频监控系统国内市场发展潜力巨大,预计到十二五末,国内监控摄像机的每千人拥有量将达到25台,同时考虑设备更新、出口产值增加的因素,预计2015年视频监控设备产值将超过1100亿元,CAGR(复合年均增长率)达到23%。摄像机作为监控领域前端设备的排头兵,未来的发展前景十分广阔,而作为摄像机核心部件的芯片,其一举一动都牵动着整个行业的神经。随着安防行业的需求越来越明确,已有越来越多的芯片厂家开始关注并主动去推广安防这个潜力巨大的市场,安防芯片市场有望成为继工业自动化、消费电子等领域之后一个新的利润聚焦点。然而,在中国这个全民缺失自主产权的核心芯片技术的时代,安防芯片的国产化和产业化同样成为中国安防企业抢占技术高地的掣肘,近期,由昆山锐芯微电子提出的一种全新的图像传感器架构——MCCD有望抢占中国安防芯片市场的先机,引领中国安防芯片技术的发展

二、CCDCMOS技术

1. CCD技术

CCD的英文全称是Charge-coupled Device,中文全称是电荷耦合元件,通常称为CCD图像传感器。CCD是一种半导体器件,能够把光学影像转化为数字信号 CCD上植入的微小光敏物质称作像素Pixel),一块CCD上包含的像素数越多,其提供的画面分辨率也就越高。CCD的作用就像胶片一样,但它是把图像像素转换成数字信号,CCD上有许多排列整齐的电容,能感应光线,并将影像转变成数字信号。经由外部电路的控制,每个小电容能将其所带的电荷转给它相邻的电容。

CCD图像传感器可直接将光学信号转换为模拟电流信号,电流信号经过放大和模数转换,实现图像的获取、存储、传输、处理和复现,如图1所示。CCD图像传感器具有如下特点:(1)体积小重量轻;(2)功耗小,工作电压低,抗冲击与震动,性能稳定,寿命长;(3)灵敏度高,噪声低,动态范围大;(4)响应速度快,有自扫描功能,图像畸变小,无残像;(5)应用超大规模集成电路工艺技术生产,像素集成度高,尺寸精确,商品化生产成本低。CCD传感器的特点在于因为有着更大的感光元件,而带来更加强劲的低照度能力。因此,虽然大家在高清中对于CMOS更加的期待,不过在一些楼梯间,地下车场或者夜视监控等环境的工作中,CCD显然还要比CMOS有着更加出色的发挥。


1  CCD工作原理

CCD从功能上可分为线阵CCD和面阵CCD两大类。线阵CCD通常将CCD内部电极分成数组,每组称为一相,并施加同样的时钟脉冲。所需相数由CCD芯片内部结构决定,结构相异的CCD可满足不同场合的使用要求。线阵CCD有单沟道和双沟道之分,其光敏区是MOS电容或光敏二极管结构,生产工艺相对较简单。它由光敏区阵列与移位寄存器扫描电路组成,特点是处理信息速度快,外围电路简单,易实现实时控制,但获取信息量小,不能处理复杂的图像(线阵CCD如右图所示)。面阵CCD的结构要复杂得多,它由很多光敏区排列成一个方阵,并以一定的形式连接成一个器件,获取信息量大,能处理复杂的图像。

CCD问世四十年来,CCD器件及其应用技术的研究取得了惊人的进展,特别是在图像传感和非接触测量领域的发展更为迅速。随着CCD技术和理论的不断发展,CCD技术应用的广度与深度必将越来越大。CCD是使用一种高感光度的半导体材料集成,它能够根据照射在其面上的光线产生相应的电荷信号,在通过模数转换器芯片转换成“0”“1”的数字信号,这种数字信号经过压缩和程序排列后,可由闪速存储器或硬盘卡保存即收光信号转换成计算机能识别的电子图像信号,可对被测物体进行准确的测量、分析。

2. CMOS技术

CMOSComplementary Metal Oxide Semiconductor)指互补金属氧化物半导体,是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。在数字影像领域,CMOS作为一种低成本的感光元件技术被发展出来,市面上常见的数码产品,其感光元件主要就是CCD或者CMOS,尤其是低端摄像头产品,而通常高端摄像头都是CCD感光元件。

CMOS制造工艺被应用于制作数码影像器材的感光元件,是将纯粹逻辑运算的功能转变成接收外界光线后转化为电能,再透过芯片上的模-数转换器ADC)将获得的影像讯号转变为数字信号输出。CMOSCCD主要有以下不同:

1)成像过程

CCDCMOS图像传感器光电转换的原理相同,他们最主要的差别在于信号的读出过程不同;由于CCD仅有一个(或少数几个)输出节点统一读出,其信号输出的一致性非常好;而CMOS芯片中,每个像素都有各自的信号放大器,各自进行电荷-电压的转换,其信号输出的一致性较差。但是CCD为了读出整幅图像信号,要求输出放大器的信号带宽较宽,而在CMOS 芯片中,每个像元中的放大器的带宽要求较低,大大降低了芯片的功耗,这就是CMOS芯片功耗比CCD要低的主要原因。尽管降低了功耗,但是数以百万的放大器的不一致性却带来了更高的固定噪声,这又是CMOS相对CCD的固有劣势。

2)集成性

从制造工艺的角度看,CCD中电路和器件是集成在半导体单晶材料商,工艺较复杂,世界上只有少数几家厂商能够生产CCD晶元,如DALSASONY、松下等。CCD仅能输出模拟电信号,需要后续的地址译码器、模拟转换器、图像信号处理器处理,并且还需要提供三组不同电压的电源同步时钟控制电路,集成度非常低。而CMOS是集成在被称作金属氧化物的版单体材料上,这种工艺与生产数以万计的计算机芯片和存储设备等半导体集成电路的工艺相同,因此声场CMOS的成本相对CCD低很多。同时CMOS芯片能将图像信号放大器、信号读取电路、A/D转换电路、图像信号处理器及控制器等集成到一块芯片上,只需一块芯片就可以实现相机的所有基本功能,集成度很高,芯片级相机概念就是从这产生的。随着CMOS成像技术的不断发展,有越来越多的公司可以提供高品质的CMOS成像芯片,包括:Micron CMOSISCypress等。

3)速度

CCD采用逐个光敏输出,只能按照规定的程序输出,速度较慢。CMOS有多个电荷-电压转换器和行列开关控制,读出速度快很多,大部分500fps以上的高速相机都是CMOS相机。此外CMOS 的地址选通开关可以随机采样,实现子窗口输出,在仅输出子窗口图像时可以获得更高的速度。

4)噪声

CCD技术发展较早,比较成熟,采用PN结或二氧化硅(SiO2)隔离层隔离噪声,成像质量相对CMOS光电传感器有一定优势。由于CMOS图像传感器集成度高,各元件、电路之间距离很近,干扰比较严重,噪声对图像质量影响很大。随着CMOS电路消噪技术的不断发展,为生产高密度优质的CMOS图像传感器提供了良好的条件。

三、MCCD

1. MCCD简介

MCCD是昆山锐芯微电子提出的一种全新的图像传感器架构,是中国首款具有完全自主知识产权的高端主流监控用图像传感器,如图2所示。在2012年中安协举办的国际社会公共安全产品博览会上,三辰科技与昆山锐芯微电子合作正式把它推入市场,取得了非常大的反响,来自世界各地的客商纷纷表示很感兴趣。那么,相比传统的CCDCMOSMCCD具有怎样的优势和魅力呢?


2  MCCD芯片

从图像传感器的制作工艺上分,目前只有两种工艺:一种是CCD,另一种是CMOSCCD是集成在半导体单晶硅材料上,而CMOS是集成在互补金属氧化物半导体材料上。

从图像传感器的架构上分:CCD的曝光由XSG1XSG2XSUB控制,读出由XH1XH2XV1XV2XV3XV4控制,这些信号都来自DSP,因此CCD是被动器件;而CMOS的曝光及读出,都来自于芯片内部的时基生成模块,因此CMOS是主动器件。

从彩色滤光阵列来看,一般的CCD使用互补色CMYG的滤光阵列,而CMOS使用原色RGB的滤光阵列。CMYG阵列对光线的衰减少,但是色彩还原时不如RGB的阵列丰富,因此更加适合于对光灵敏度要求高的安防行业。

MCCD既不是CMOS又不是CCD,它汲取了CMOSCCD的特点,将图像传感器像素的灵敏度及画质推上了一个更高的台阶。

MCCD使用CMYG互补色滤光阵列,具有如CCD一样的画质,比CCD高的可见光灵敏度及超高的红外光灵敏度、更大的动态范围。MCCD使用与CCD兼容的曝光、读出控制方式(使用XSUBXSG1XH1XH2XV2XV4信号),因此MCCD是与CCD相同的被动器件。MCCD又利用CMOS工艺集成度高的特点,将先进的图像信号处理器及AFE的功能集成到芯片中,有效提高了图像质量。

2. MCCD技术特点


3  MCCDCCD应用电路的区别

从图3中可明确看出MCCDCCD应用电路之间的区别主要有以下两方面:

1MCCD集成了AFE,可直接输出量化后的数字图像信号;

2MCCD使用CMOS工艺,无需CCD的高压驱动,因此除了省去高压驱动芯片以外,电源的设计也相对简化了,PCB上能有更加干净的电源。

此外,MCCD除了具有和主流监控图像传感器CCD相同的数据输出接口(可以直接和CCD配套的DSP接口)之外,还具备更高的可见光及近红外灵敏度,低照度下的信噪比也更为优良,特别适用于“平安城市”全天候监控,室外中远距离大范围的夜视监控和高端无红暴、需要940NM波长红外灯补光的专业监控摄像机系统。

在技术基础方面,MCCD具有以下特点:

1)高性能的像素设计,高灵敏度的像素设计是成就MCCD的坚实基础。

2)高速并行技术,帧速每秒可超2000帧。

3)高速红外三维影像捕捉,全球首创的全局结合滚动高速曝光模式。

4)独有防蒙尘技术,能够消除50%以上的图像固形噪声,提高画面品质。

MCCD的研制成功,标志着中国的安防监控行业在高端监控摄像机前端设备核心技术上取得重要突破,使我国高端主流监控摄像机的制造业有了质的飞跃,也让中国安防监控业在摆脱日美等国家在市场和技术上的垄断道路上迈出了重要的一步。


四、小结

综上所述,MCCD是使用CMOS工艺制造的具备CCD画质、兼容CCD读出格式及读出方式的新一代图像传感器,它具有完全自主知识产权、超高的红外灵敏度、优异的夜视效果及更好的动态范围,将逐渐走向市场,接受市场洗礼和挑战。

编辑:张宗蒿
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