對比工業(yè)成像中的CCD及CMOS技術(shù)

Michael DeLuca

摘要：在工業(yè)應(yīng)用的成像系統(tǒng)中，CCD是采用定制的半導(dǎo)體工藝生產(chǎn)，高度優(yōu)化于成像應(yīng)用，并需要外部電路將模擬輸出電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號用于后續(xù)處理。具有高效的電子快門能力、寬動(dòng)態(tài)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(nèi)，來進(jìn)行電荷——電壓轉(zhuǎn)換。這令電壓在整個(gè)器件中傳輸，使更快和更靈活的圖像讀取成為可能。

關(guān)鍵詞：成像系統(tǒng)；圖像傳感器；CCD；CMOS

在工業(yè)應(yīng)用中成像系統(tǒng)的廣泛采用持續(xù)擴(kuò)展，不僅由新的圖像傳感器技術(shù)和產(chǎn)品的開發(fā)所推動(dòng)，還由支援平臺(tái)的進(jìn)步所推動(dòng)，如計(jì)算機(jī)功率和高速數(shù)據(jù)接口。今天，成像系統(tǒng)的使用在各種領(lǐng)域是常見的，如裝配線檢查、交通監(jiān)測/執(zhí)法、監(jiān)控醫(yī)療及科學(xué)成像。由于圖像傳感器技術(shù)的進(jìn)步，使成像性能、讀取速度和分辨率提高。隨著圖像傳感器現(xiàn)在采用CCD和相輔相成的CMOS技術(shù)設(shè)計(jì)，審視這兩大平臺(tái)可以幫助指導(dǎo)選擇最適合特定應(yīng)用的圖像傳感器。

電子成像技術(shù)的發(fā)展始于上世紀(jì)60年代，諾貝爾獎(jiǎng)得主Boyle和Smith開發(fā)出第一個(gè)CCD。這些器件是利用摻雜硅的固有能力將光子轉(zhuǎn)換成電子，使用得到的像素級電荷來測量光強(qiáng)度而工作。在架構(gòu)上，這設(shè)計(jì)的最大優(yōu)勢是簡單——整個(gè)像素區(qū)域可用來檢測光子和存儲(chǔ)電荷，提供最大信號級別，支持高動(dòng)態(tài)范圍。相同的像素區(qū)域用于將電荷傳送到有限的輸出端，其中電荷被轉(zhuǎn)換為電壓。隨著時(shí)間的推移，這架構(gòu)已細(xì)化到包括Interline Transfer CCD設(shè)計(jì)，其中包含像素級的一個(gè)電子快門，無需相機(jī)設(shè)計(jì)中的機(jī)械快門。今天，CCD是采用定制的半導(dǎo)體工藝生產(chǎn)，高度優(yōu)化用于成像應(yīng)用，并需要外部電路將模擬輸出電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號用于后續(xù)處理。一般而言，CCD的典型特點(diǎn)是具有高效的電子快門能力、寬動(dòng)態(tài)范圍和出色的圖像均勻性。

相比之下，CMOS圖像傳感器設(shè)計(jì)最初是利用為主流半導(dǎo)體器件制造而開發(fā)的工藝，如用于邏輯芯片、微處理器和存儲(chǔ)器模塊的工藝。這提供巨大的優(yōu)勢，如數(shù)字處理功能可直接納入到芯片中，以增強(qiáng)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(nèi)（或每組像素），來進(jìn)行電荷——電壓轉(zhuǎn)換。這令電壓在整個(gè)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(jié)合到芯片內(nèi)，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(zhì)量現(xiàn)在已足以用于多種應(yīng)用。這可從用于工業(yè)成像的最新一代CMOS器件看出，如安森美半導(dǎo)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(shù)可能仍然超越這一系列，但這些PYTHON器件的圖像質(zhì)量使其適用于在線檢測、交通監(jiān)測/收費(fèi)和運(yùn)動(dòng)分析。這令CMOS技術(shù)的其它性能優(yōu)勢走向前沿，如獲得更快的幀速率、更低的功耗和感興趣區(qū)域（ROI）的成像，這每一性能對提升產(chǎn)量和在這些應(yīng)用中的采用都至關(guān)重要。

如這些內(nèi)在的優(yōu)勢，有人預(yù)計(jì)CCD圖像傳感器最終將消亡，因?yàn)镃MOS技術(shù)不斷進(jìn)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(shù)無疑將繼續(xù)發(fā)展，CCD的基礎(chǔ)架構(gòu)表明某些區(qū)域?qū)⒗^續(xù)保持特定的性能優(yōu)勢，使CCD成為要求最高成像性能的工業(yè)應(yīng)用的首選技術(shù)。

雖然圖像均勻性隨著CMOS技術(shù)的進(jìn)步不斷改善，但最高的性能水平不斷被發(fā)現(xiàn)于使用CCD圖像傳感器。這是這些技術(shù)架構(gòu)的直接結(jié)果：雖然CMOS器件有數(shù)以干計(jì)的單獨(dú)放大器（每列一個(gè)，或甚至每像素一個(gè)），CCD可將電荷從像素路由到單個(gè)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(yīng)用如醫(yī)療和科學(xué)成像很重要，甚至用于關(guān)鍵的成品檢測。其中這些應(yīng)用的定量性是提供清晰、未處理的圖像的關(guān)鍵。此外，保持均勻性在縮放至高分辨率和大光學(xué)格式時(shí)，使用CCD往往比CMOS器件更容易。

CCD設(shè)計(jì)的模擬性也令CCD相機(jī)能“微調(diào)”用于給定的終端應(yīng)用，為給定的終端應(yīng)用優(yōu)化特定的成像特性。例如，對于應(yīng)用如天文攝影，攝像機(jī)制造商可選擇以優(yōu)化傳感器的充分能力（擴(kuò)展動(dòng)態(tài)范圍），以anti-blooming保護(hù)為代價(jià)（這可能對這應(yīng)用不是那么重要）。其它科學(xué)成像應(yīng)用也可得益于CCD可提供的極低暗電流，在這些應(yīng)用中可能要求長達(dá)一個(gè)小時(shí)以上的曝光時(shí)間以檢測極微弱的信號。

由于諸如此類的架構(gòu)優(yōu)勢，安森美半導(dǎo)體如今繼續(xù)選擇投資于CCD技術(shù)和產(chǎn)品?？稍谧罱娴男碌腃CD技術(shù)平臺(tái)中找到一個(gè)重要的例子，這平臺(tái)結(jié)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(jié)合令單個(gè)攝像機(jī)能捕獲一個(gè)圖像，圖像場景的一部分（如一個(gè)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(gè)攝像機(jī)能捕獲從白天到星光光照水平的圖像，是CCD技術(shù)所獨(dú)有的，因?yàn)樗昧薊MCCD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(jié)合這技術(shù)的第一個(gè)產(chǎn)品，工作達(dá)30fps的具備1080p分辨率的一個(gè)器件，針對極微光的應(yīng)用如監(jiān)控、科學(xué)成像和醫(yī)療成像。

盡管我們在比較CCD和CMOS技術(shù)時(shí)試圖確定一個(gè)“贏家”，但這真的對兩者都沒有好處。因?yàn)槊糠N技術(shù)都是獨(dú)一無二的，提供不同的終端用戶優(yōu)勢。雖然采用CMOS技術(shù)的產(chǎn)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(yōu)勢，使其比CMOS器件更適用于某些應(yīng)用。因此，與其尋找最佳的技術(shù)，不如確定被考慮的特定終端應(yīng)用情況的關(guān)鍵性能參數(shù)，然后根據(jù)這些關(guān)鍵需求應(yīng)用不同產(chǎn)品可提供的特性和性能。雖然某些情況下，基于一種技術(shù)的產(chǎn)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(shù)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(shù)寬廣產(chǎn)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(yīng)用的產(chǎn)品，使他們成為真正的贏家。