工業(yè)相機中CCD與CMOS的爭論

十幾年以前，成像質量被認為是最重要的因素。因此CCD在各類成像任務中完勝CMOS圖像傳感器（CIS）。但到現(xiàn)在，手機攝像頭使用的CIS受巨額研發(fā)投資推動，已在成像質量上趕上CCD。一些評論家認為，在不久的將來，機器視覺市場將由CIS相機主導。針對兩者各種屬性的爭論是一個復雜的問題，而且CCD技術也并沒有停滯不前。人們在廣泛談論CIS搶奪CCD市場份額，不過，CCD依然代表較高端應用領域內（如機器視覺）一種重要的圖像傳感器技術。

法國市場研究公司Yole Développment最近一份報告顯示，2012年CIS市場規(guī)模為66億美元，預計到2017年達到110億美元。報告指出，2011年，手機攝像頭占CIS出貨量的65%，手機攝像頭也是圖像傳感器制造技術發(fā)展的重要推動力。報告同時預計，由于內置相機能提高汽車安全性和駕駛輔助性能，2017年車載CIS市場規(guī)模將達到4億美元，這個市場更像一個工業(yè)成像市場，需要具有全局開關、高動態(tài)范圍和弱光靈敏度等特點的高性能圖像傳感器。

在工業(yè)成像領域，基本上有三類硅基成像儀：面掃描型、線掃描型和時間延遲積分（TDI）型。Teledyne Dalsa公司設計和生產CCD和CIS，公司成像科學與技術總監(jiān)Nixon O博士這樣描述CCD和CIS的市場劃分：“在機器視覺中，多數(shù)面掃描成像儀為CIS；在線掃描成像儀中，我推測兩者大約五五分；而TDI領域幾乎是CCD的天下。”

結構差異

一般而言，在給定的分辨率下，幀速更高時CIS優(yōu)于CCD，而CCD圖像像素均勻性更佳。在CCD的結構中，像素通過同一個放大器讀出，因此所有像素的電子-電壓信號轉換均在同一處進行；而在CIS中，這一轉換過程在各像素內分別進行。CIS生產商CMOSIS公司的首席運營官Lou Hermans表示，其結果就是高速CIS能通過設計獲得比高速CCD更低的噪聲，對機器視覺而言，這是一個重大的優(yōu)點，并指出在工業(yè)成像領域，CIS正在奪取CCD的市場份額。他給出了兩個原因：1、機器視覺要求更高幀速，CIS在高幀速下性能更好；2、制造技術的進步：在他看來，CIS能提供與CCD相同的成像質量，而且還具備其它一些優(yōu)點，即能將外圍電路集成到CIS芯片中?！皩㈦娐芳傻叫酒?，能制成更小、更輕的相機，在將成像設備集成到空間狹小的生產線中時，這一點非常重要?！?/span>

一般而言，唯一能集成到CCD上的電路是模擬輸出放大器。CCD需要單獨的控制器芯片和模/數(shù)轉換器。而在CIS中，模/數(shù)轉換及圖像傳感器的所有控制功能都能集成到芯片上。Lou Hermans說：“使用CCD，你需要使用更多組件，而且當你需要提升幀速這一機器視覺業(yè)重視的參數(shù)時，性能就會下降?！?/span>

CMOSIS公司的CIS配備全局快門，類似內線轉移CCD。對機器視覺而言，拍攝移動物體的靜止圖像非常重要。公司首席技術官Guy Meynants表示，他們的設計能讓CIS結合相關雙采樣和全局快門，降低噪聲。但他也承認，使用全局快門的CIS在噪聲方面依然稍微落后于CCD?！叭绻阈枰珠_關和低噪聲而又對速度沒有要求，那么CCD依然優(yōu)于CIS?！?/span>

從另一方面講，電子-電壓信號轉換在CIS各像素內分別進行也是一個缺點，這使各像素的轉換結果稍有不同，導致背景噪聲或表現(xiàn)為圖像上的像素間非均勻性。雖然可使用多種修正算法使CIS圖像像素輸出更加一致，不過Truesense成像公司（原柯達成像業(yè)務部）市場經理Michael DeLuca指出，CCD的優(yōu)勢是根本就不存在這種問題，因此圖像質量相當高。這一點在看重數(shù)據(jù)吞吐量的機器視覺應用中也很重要。高質量CCD無需軟件對圖像進行預處理，這意味著圖像分析速度更快。

針對工業(yè)相機應用，Truesense成像公司在2012年11月的斯圖加特視覺展示會上推出第一款CIS KAC-12040，但同時也推出了兩款高性能CCD。DeLuca解釋說，CCD非常適合于在照明條件不可控的苛刻環(huán)境中獲得高成像質量，例如戶外成像?！霸谶@種環(huán)境下，CCD仍有許多實實在在的優(yōu)點。對我們而言，推出CIS產品并不是認為CCD已經失勢。相反，我們認為CCD依然具有非常重要的地位，只是我們同時也認為CIS具有重要地位，我們將這兩種技術視為可以互補的技術?！?/span>

CCD依然在提高

在大多數(shù)評論家一致認為CIS的圖像質量已經非常接近于CCD的同時，CCD也未停止前進的腳步。Point Grey公司的銷售和市場主任Mike Gibbons表示：“CIS和CCD都在進步——CIS改進圖像質量，而CCD改進幀速?！?/span> Point Grey公司的CCD相機主要使用SONY公司的CCD，而CMOS相機中的CIS則購自Aptina、SONY、On Semiconductor和e2v公司。Gibbons表示，許多SONY的新CCD都具有4抽頭結構，即能將圖像傳感器分為四個象限，這種4抽頭結構能同時傳輸4幅圖像而不是傳輸一幅較大的圖像?！叭绻?/span>CCD能降低成本并繼續(xù)提升幀速，為什么一定要用CIS而不用CCD呢？”

除了幀速方面的發(fā)展，CCD還在兩方面優(yōu)于CIS：時間延遲積分（TDI）和近紅外區(qū)靈敏度。TDI在光信號微弱時非常有用，這種結構通過疊加若干級信號的方式，有效地疊加對同一場景的多次拍攝結果，獲得更強的信號。TDI CCD和TDI CMOS疊加不同的信號：CCD疊加電荷而CMOS疊加電壓，因此前者的疊加過程不會產生噪聲但后者會，而且隨著TDI級數(shù)的增大，TDICCD性能將優(yōu)于最先進的TDICMOS。

CCD另一個優(yōu)勢領域是近紅外區(qū)。Teledyne Dalsa公司的Nixon O博士指出， CCD專門設計在近紅外區(qū)獲得高靈敏度，并且遠比CIS靈敏。究其原因，多數(shù)CIS制造工藝僅針對需求量大的可見光成像應用進行調整。近紅外區(qū)靈敏度與襯底厚度或外延層厚度息息相關，提高CIS的近紅外區(qū)靈敏度會降低空間分辨率。相對而言， CCD在保持高空間分辨率的同時增厚外延層厚度更容易。一些近紅外CCD外延層厚度超過100μm，而多數(shù)CIS外延層厚度僅5～10μm。

成本

兩種傳感器技術的成本難以精確地確定。Nixon O博士表示，若研制用戶定制化產品，CCD比CIS便宜。因為CIS使用價格更高的深亞微米掩模并需要更多的電路。這就是說，CIS需要大規(guī)模生產降低單個器件成本。從相機制造商的角度看，Point Grey公司能同時供應130萬像素GigE接口CCD相機和130萬像素USB 3.0接口CMOS相機，價格大致相等。

CIS與CCD的競爭展望

一般而言，多數(shù)機器視覺應用正在過渡至CIS，而更多的科學應用和需要很高圖像質量、又不需要高幀速的應用仍然使用CCD。Nixon O博士說：“我預計CIS將最終占據(jù)需求量高的面掃描和線掃描成像儀市場，而定制化、小批量、更專業(yè)的應用則更偏向于使用定制CCD。在不久的將來，TDI成像儀將繼續(xù)由CCD占據(jù)，在更遙遠的未來，TDI成像儀可能發(fā)展為混合CCD和CIS的產品?！?/span>

CMOSIS公司的Hermans對此表示贊同：“在科學應用中，總有一些小眾市場需要CCD。如在天文學領域，CCD能提供一些特定的優(yōu)點。從長期看，CIS將占領機器視覺市場。”不過他認為機器視覺產品壽命長，因此可能需要5～10年完成這一過渡。

在制造工藝方面， CCD和CMOS技術都在不斷完善和微調。CMOSIS公司的Meynants暗示，機器視覺傳感器更高分辨率、更小像素尺寸的需求可能會導致出現(xiàn)不同的CIS工藝技術。這方面的發(fā)展將再次由手機攝像頭生產商推動，其產品像素尺寸已降至1μm。相比之下，CMOSIS公司的1200萬像素產品CMV12000像素尺寸為5.5μm，盡管工業(yè)相機傾向于更大的像素尺寸以獲得更好成像性能。Meynants緊接著說，如果幀速保持不變但分辨率提高，總的數(shù)據(jù)速率將提升，這需要更快的模/數(shù)轉換器、讀出和電路。這是面臨的另一項挑戰(zhàn)：更高的讀出速度。

根據(jù)Yole Développement公司的市場報告，下一項技術突破很可能來自SONY公司。該公司制成首個針對消費市場的堆疊式CIS結構。在這種結構中，像素區(qū)堆疊在信號處理區(qū)上而不是位于同一平面，這樣像素區(qū)和信號處理區(qū)就能分別進行針對性工藝優(yōu)化，制成擁有更高靈敏度、更快讀出速度和信號處理電路集成度更高的圖像傳感器。

在一項更偏向于實驗室研究性質的工作中，德國弗勞恩霍夫微電子電路和系統(tǒng)研究所的研究人員報道了基于單光子雪崩放大器的超高靈敏度CIS，這是MiSPiA（用于弱光高速安防應用的單光子3D成像微電子陣列）項目的一部分，其像素結構能在數(shù)皮秒內計數(shù)單個光子，速度是同類產品的1000倍。

很難說明CCD和CIS此消彼長的速度和程度?？赡軙霈F(xiàn)類似手機攝像頭市場那樣的發(fā)展軌跡。不過較高端的機器視覺市場有自己獨特的需求，如圖像質量和性能。因此，可能兩者都會擁有自己的一席之地。