CCD與CMOS技術(shù)，我們居然還有這么多不知道

　　在工業(yè)應用中成像系統的廣泛采用持續擴展，不僅由新的影像感測器技術(shù)和產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)所推動(dòng)，還由支援平臺的進(jìn)步所推動(dòng)，如電腦功率和高速數據介面。今天，成像系統的使用在各種領(lǐng)域很常見(jiàn)，如配線(xiàn)檢查、交通監測/執法、監控和醫療及科學(xué)成像，由于影像感測器技術(shù)的進(jìn)步，使成像性能、讀取速度和解析度提高。隨著(zhù)影像感測器現在采用電荷耦合元件(CCD)和互補式金屬氧化物半導體(CMOS)技術(shù)設計，審視這兩大平臺對于選擇最適合特定應用的影像感測器很有幫助。

　　電子成像技術(shù)的發(fā)展始于上世紀60年代，諾貝爾獎得主Boyle和Smith開(kāi)發(fā)出第一個(gè)CCD。這些元件是利用摻雜矽的固有能力將光子轉換成電子，并用得到的畫(huà)素等級電荷來(lái)測量光強度而運作。在架構上，這個(gè)設計的最大優(yōu)勢是簡(jiǎn)單，整個(gè)畫(huà)素區域可用來(lái)檢測光子和存儲電荷，提供最大訊號級別，支援高動(dòng)態(tài)范圍。

　　相同的畫(huà)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。隨時(shí)間推移，這架構已細化到包括Interline Transfer CCD設計，其中包含畫(huà)素等級的一個(gè)電子快門(mén)，無(wú)需相機設計中的機械快門(mén)。今天，CCD是采用訂制的半導體制程，高度優(yōu)化于成像應用，并需要外部電路將類(lèi)比輸出電壓轉換為數位訊號以用于后續處理。一般而言，CCD的典型特點(diǎn)是高效的電子快門(mén)能力、寬動(dòng)態(tài)范圍和出色的影像均勻性。

　　相比之下，CMOS影像感測器設計最初是利用為主流半導體元件的制造而開(kāi)發(fā)的工藝，如用于邏輯晶片、微處理器和記憶體模組的工藝。這點(diǎn)形成巨大的優(yōu)勢，如數位處理功能可直接納入晶片中，以增強影像感測器功能。CMOS影像感測器不像CCD將電荷傳送到有限的輸出端，而是把電晶體放置在每一畫(huà)素內(或每組畫(huà)素)，來(lái)進(jìn)行電荷、電壓之間的轉換。這么一來(lái)，電壓(而不是電荷)可經(jīng)由整個(gè)元件傳輸，使得影像讀取變得更快、更靈活。此外，高端處理可直接結合至晶片，如果需要的話(huà)，影像感測器可輸出完全處理的JPEG影像，甚至是H.264視訊流。

　　雖然CCD影像感測器歷來(lái)提供比CMOS元件更好的成像性能，但近年來(lái)差距已大大縮小，CMOS影像感測器可提供的影像品質(zhì)現在已勝任多種應用。這可從用于工業(yè)成像的最新一代CMOS元件看出，如安森美半導體的PYTHON CMOS影像感測器系列。

　　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元件的影像品質(zhì)已適用于線(xiàn)上檢測、交通監測/收費、運動(dòng)分析等等。這使CMOS技術(shù)的其他性能優(yōu)勢更加顯著(zhù)，如更快的幀率、更低的功耗、感興趣區域(ROI)的成像 。每一項性能對提升產(chǎn)量和支援這些應用都至關(guān)重要。

　　因為這些內在優(yōu)勢，有人預計CCD影像感測器最終將消亡，因為CMOS技術(shù)不斷進(jìn)步且最終將在所有面向使CCD性能黯然失色。但是，以后CCD和CMOS技術(shù)無(wú)疑將繼續發(fā)展，CCD的基礎架構表明某些區域將繼續保持特定的性能優(yōu)勢，使CCD成為要求最高成像性能的工業(yè)應用的首選技術(shù)。

　　雖然影像均勻性隨著(zhù)CMOS技術(shù)的進(jìn)步不斷改善，但最高的性能水準仍是在CCD影像感測器應用。這是這些技術(shù)架構的直接結果：雖然CMOS元件有數以千計的單獨放大器(每列一個(gè)，或甚至每畫(huà)素一個(gè))，CCD可將電荷從畫(huà)素路由至單個(gè)放大器，感測器讀取無(wú)需藉由任何放大器來(lái)放大變化。影像的高均勻性對醫療和科學(xué)成像等應用很重要，甚至關(guān)鍵的成品檢測，其中這些應用的定量性是提供清晰、未處理的影像的關(guān)鍵。此外，使用CCD往往比CMOS元件更容易在縮放至高解析度和大光學(xué)格式時(shí)保持均勻性。

　　CCD設計的類(lèi)比性也令CCD相機能為特定的終端應用“微調”，優(yōu)化特定的成像特性。例如針對天文攝影的應用，攝影機制造商可選擇充分優(yōu)化感測器的能力(擴展動(dòng)態(tài)范圍)，以犧牲抗溢光為代價(jià)(這可能對此應用不是那么重要)。其他科學(xué)成像應用也可得益于CCD提供的極低暗電流，并可能需要長(cháng)達一個(gè)小時(shí)以上的曝光時(shí)間以偵測極微弱的訊號。

　　由于諸如此類(lèi)的架構優(yōu)勢，安森美半導體如今繼續選擇投資CCD技術(shù)和產(chǎn)品?？稍谧罱娴男翪CD技術(shù)平臺中找到一個(gè)重要的例子，這平臺結合Interline TransferCCD的成像性能和可從電子倍增(EMCCD)輸出獲取的極低感光度。

　　interline TransferEMCCD的結合能讓一個(gè)攝影機同時(shí)捕捉到影像場(chǎng)景的一部分(如一個(gè)小巷)在極低光照水準下(低至月光或甚至星光)，而另一部份處于明亮的光照下(路燈)。這個(gè)性能使一個(gè)獨立攝影機捕捉到從白天到星光的光照水準影像，是CCD技術(shù)所獨有，因為它利用了EMCCD輸出的電荷倍增性 ，也正是CMOS元件限于工作電壓范圍無(wú)法提供的特性。結合了這個(gè)技術(shù)的產(chǎn)品具備1080p解析度以及 30 fps幀率，針對極低光照的監控、科學(xué)成像和醫療成像等應用。

　　盡管我們在比較CCD和CMOS技術(shù)時(shí)試圖確定一個(gè)“贏(yíng)家”，但這真的對兩者都有損公正，因為每種技術(shù)都是獨一無(wú)二的，提供不同的終端用戶(hù)優(yōu)勢。雖然采用CMOS技術(shù)的產(chǎn)品顯然越來(lái)越廣泛，但CCD影像感測器仍然在某些方面保持優(yōu)勢，使其比CMOS元件更適合某些應用。因此，與其尋找最佳的技術(shù)，不如確定考慮中的特定終端應用情況的關(guān)鍵性能參數，然后結合這些關(guān)鍵需求與不同產(chǎn)品的特性和性能。

　　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，但在其他可能不是那么明確的情況下，與可提供兩種技術(shù)的公司合作就格外重要，以便獲得客觀(guān)的看法。通過(guò)獲取同時(shí)基于CCD和CMOS兩種技術(shù)的廣泛產(chǎn)品陣容的資訊，終端客戶(hù)就可確定并選擇真正適合他們特定的終端應用的產(chǎn)品， 而成為真正的贏(yíng)家。