對比工業成像中的CCD及CMOS技術

Michael DeLuca

摘要：在工業應用的成像系統中，CCD是采用定制的半導體工藝生產，高度優化于成像應用，并需要外部電路將模擬輸出電壓轉換為數字信號用于后續處理。具有高效的電子快門能力、寬動態范圍和出色的圖像均勻性。而CMOS圖像傳感器不像CCD將電荷傳送到有限的輸出端，而是放置晶體管在每一像素內，來進行電荷——電壓轉換。這令電壓在整個器件中傳輸，使更快和更靈活的圖像讀取成為可能。

關鍵詞：成像系統；圖像傳感器；CCD；CMOS

在工業應用中成像系統的廣泛采用持續擴展，不僅由新的圖像傳感器技術和產品的開發所推動，還由支援平臺的進步所推動，如計算機功率和高速數據接口。今天，成像系統的使用在各種領域是常見的，如裝配線檢查、交通監測/執法、監控醫療及科學成像。由于圖像傳感器技術的進步，使成像性能、讀取速度和分辨率提高。隨著圖像傳感器現在采用CCD和相輔相成的CMOS技術設計，審視這兩大平臺可以幫助指導選擇最適合特定應用的圖像傳感器。

電子成像技術的發展始于上世紀60年代，諾貝爾獎得主Boyle和Smith開發出第一個CCD。這些器件是利用摻雜硅的固有能力將光子轉換成電子，使用得到的像素級電荷來測量光強度而工作。在架構上，這設計的最大優勢是簡單——整個像素區域可用來檢測光子和存儲電荷，提供最大信號級別，支持高動態范圍。相同的像素區域用于將電荷傳送到有限的輸出端，其中電荷被轉換為電壓。隨著時間的推移，這架構已細化到包括Interline Transfer CCD設計，其中包含像素級的一個電子快門，無需相機設計中的機械快門。今天，CCD是采用定制的半導體工藝生產，高度優化用于成像應用，并需要外部電路將模擬輸出電壓轉換為數字信號用于后續處理。一般而言，CCD的典型特點是具有高效的電子快門能力、寬動態范圍和出色的圖像均勻性。

相比之下，CMOS圖像傳感器設計最初是利用為主流半導體器件制造而開發的工藝，如用于邏輯芯片、微處理器和存儲器模塊的工藝。這提供巨大的優勢，如數字處理功能可直接納入到芯片中，以增強圖像傳感器功能。CMOS圖像傳感器不像CCD將電荷傳送到有限的輸出端，而是放置晶體管在每一像素內（或每組像素），來進行電荷——電壓轉換。這令電壓在整個器件中傳輸，使更快和更靈活的圖像讀取成為可能。此外，高端處理可直接結合到芯片內，如果需要的話，圖像傳感器的輸出可以是完全處理的JPEG圖像，甚至是H.264視頻流。

雖然CCD圖像傳感器歷來提供比CMOS器件更好的成像性能，但近年來這差距已大大縮小，CMOS圖像傳感器可提供的圖像質量現在已足以用于多種應用。這可從用于工業成像的最新一代CMOS器件看出，如安森美半導體的PYTHON CMOS圖像傳感器系列。盡管最好的CCD可提供的一些成像參數可能仍然超越這一系列，但這些PYTHON器件的圖像質量使其適用于在線檢測、交通監測/收費和運動分析。這令CMOS技術的其它性能優勢走向前沿，如獲得更快的幀速率、更低的功耗和感興趣區域（ROI）的成像，這每一性能對提升產量和在這些應用中的采用都至關重要。

如這些內在的優勢，有人預計CCD圖像傳感器最終將消亡，因為CMOS技術不斷進步且最終將在所有方面使CCD性能黯然失色。但是，以后CCD和CMOS技術無疑將繼續發展，CCD的基礎架構表明某些區域將繼續保持特定的性能優勢，使CCD成為要求最高成像性能的工業應用的首選技術。

雖然圖像均勻性隨著CMOS技術的進步不斷改善，但最高的性能水平不斷被發現于使用CCD圖像傳感器。這是這些技術架構的直接結果：雖然CMOS器件有數以干計的單獨放大器（每列一個，或甚至每像素一個），CCD可將電荷從像素路由到單個放大器，無需任何放大器在傳感器讀取中來放大變化。高圖像均勻性對應用如醫療和科學成像很重要，甚至用于關鍵的成品檢測。其中這些應用的定量性是提供清晰、未處理的圖像的關鍵。此外，保持均勻性在縮放至高分辨率和大光學格式時，使用CCD往往比CMOS器件更容易。

CCD設計的模擬性也令CCD相機能“微調”用于給定的終端應用，為給定的終端應用優化特定的成像特性。例如，對于應用如天文攝影，攝像機制造商可選擇以優化傳感器的充分能力（擴展動態范圍），以anti-blooming保護為代價（這可能對這應用不是那么重要）。其它科學成像應用也可得益于CCD可提供的極低暗電流，在這些應用中可能要求長達一個小時以上的曝光時間以檢測極微弱的信號。

由于諸如此類的架構優勢，安森美半導體如今繼續選擇投資于CCD技術和產品。可在最近宣告的新的CCD技術平臺中找到一個重要的例子，這平臺結合了Interline Transfer CCD的成像性能和可從電子倍增（EMCCD）輸出獲取的極低光靈敏度。Interline Transfer EMCCD的結合令單個攝像機能捕獲一個圖像，圖像場景的一部分（如一個小巷）在極微光照水平下（低至月光或甚至星光），而另一部份處于明亮的光照下（路燈）。這能力使單個攝像機能捕獲從白天到星光光照水平的圖像，是CCD技術所獨有的，因為它利用了EMCCD輸出的電荷倍增性——CMOS器件于工作電壓范圍無法提供的特性。結合這技術的第一個產品，工作達30fps的具備1080p分辨率的一個器件，針對極微光的應用如監控、科學成像和醫療成像。

盡管我們在比較CCD和CMOS技術時試圖確定一個“贏家”，但這真的對兩者都沒有好處。因為每種技術都是獨一無二的，提供不同的終端用戶優勢。雖然采用CMOS技術的產品顯然正越來越廣泛地被采用，但CCD圖像傳感器仍然存在優勢，使其比CMOS器件更適用于某些應用。因此，與其尋找最佳的技術，不如確定被考慮的特定終端應用情況的關鍵性能參數，然后根據這些關鍵需求應用不同產品可提供的特性和性能。雖然某些情況下，基于一種技術的產品可能提供最佳匹配，但在其它可能不是那么明確的情況下，與可提供兩種技術的公司合作就顯得重要，以便獲得客觀的看法。通過獲取基于CCD和CMOS兩種技術寬廣產品陣容的信息，終端客戶就可確定并選擇真正最適合他們給定的終端應用的產品，使他們成為真正的贏家。