【CPS中安網(wǎng) cps.com.cn】第十九屆安博會(huì)將于10月28至30日在深圳召開。在六號(hào)館國(guó)際館當(dāng)中，我們將見到非常多的供應(yīng)鏈上游廠商，其中不乏許多鏡頭和感光元件廠商的身影。

　　視頻監(jiān)控系統(tǒng)的核心技術(shù)部件是光學(xué)成像器件，而光學(xué)成像器件主要包括鏡頭及感光器件，目前感光器件主要是CCD和CMOS兩種。

CCD傳感器

CMOS傳感器

　　CCD（電荷耦合器件）和CMOS（互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）圖像傳感器是用于獲取數(shù)字圖像的兩種不同器件。兩者都有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，在不同的應(yīng)用中具有各自的優(yōu)勢(shì)。

　　關(guān)于CMOS相對(duì)于CCD的相對(duì)優(yōu)勢(shì)，已有許多討論。辯論一直持續(xù)了很久，只是并沒有明確的結(jié)論。這并不奇怪，因?yàn)閱栴}不是一成不變的。

　　技術(shù)和市場(chǎng)在發(fā)展，不僅影響技術(shù)上可行的東西，而且影響商業(yè)上可行的東西。成像器件的應(yīng)用是多種多樣的，同時(shí)需求也在不斷變化。

　　首先，CCD和CMOS成像均依靠光電效應(yīng)從光產(chǎn)生電信號(hào)，兩種類型的成像元件原理都是將光轉(zhuǎn)換成電荷并將其處理成電子信號(hào)。

　　在CCD傳感器中，每個(gè)像素的電荷都通過數(shù)量非常有限的輸出節(jié)點(diǎn)（通常只有一個(gè)）傳輸，然后轉(zhuǎn)換為電壓，進(jìn)行緩沖并作為模擬信號(hào)在芯片外發(fā)送。所有像素均可用于光捕獲，并且輸出的均勻性（圖像質(zhì)量的關(guān)鍵因素）很高。

　　在CMOS傳感器中，每個(gè)像素都有其自己的電荷到電壓的轉(zhuǎn)換，并且該傳感器通常還包括放大器，噪聲校正和數(shù)字化電路，以便芯片輸出數(shù)字信號(hào)。這些其他功能（較CCD而言）增加了設(shè)計(jì)復(fù)雜度，并減少了可用于捕獲光的面積。每個(gè)像素進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)，均勻度會(huì)降低。

　　CCD和CMOS成像器都是在1960年代末和1970年代發(fā)明的。CCD在一開始占主導(dǎo)地位，主要是因?yàn)樗鼈兛梢岳靡延械闹圃旒夹g(shù)提供出色的圖像。CMOS圖像傳感器需要更高的一致性和更小制造工藝，而當(dāng)時(shí)的晶圓代工廠無法提供。

　　直到1990年代，光刻技術(shù)才發(fā)展到讓設(shè)計(jì)者可以考慮CMOS的地步。對(duì)CMOS的重新關(guān)注是基于對(duì)降低功耗，增加集成度以及通過復(fù)用主流邏輯和存儲(chǔ)器件降低制造成本等方面的考量。在投入了大量的時(shí)間、金錢和工藝改進(jìn)后，CMOS在實(shí)際生產(chǎn)中滿足了上述期望，從而成為了成熟的主流技術(shù)。

　　在兩者共存的情況下，某些應(yīng)用使用CMOS可以獲得更好的效果，而某些情況最好使用CCD。通過比較不同的情況，我們可以理解其中的技術(shù)折衷以及一些成本的考量。

　　視頻設(shè)備的成像

　　憑借更低的功耗和更高的集成度，更小的組件，CMOS成功在手機(jī)成像方面獲得青睞——這是世界上體量最大的圖像傳感器應(yīng)用。為了開發(fā)和微調(diào)CMOS成像器及其制造工藝，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的上游企業(yè)投入了大量資金，隨著像素尺寸縮小，圖像質(zhì)量有了極大提高。

　　因此，在消費(fèi)電子領(lǐng)域和視頻監(jiān)控領(lǐng)域，基于幾乎所有性能參數(shù)，CMOS成像的性能均優(yōu)于CCD。

　　機(jī)器視覺成像

　　在機(jī)器視覺中，得益于巨大的手機(jī)成像獲得投資后帶來的發(fā)展，于大多數(shù)機(jī)器視覺領(lǐng)域的面掃描和線掃描器件，CCD也是過去的技術(shù)了。

　　對(duì)于機(jī)器視覺，關(guān)鍵參數(shù)是速度和噪聲。CMOS和CCD成像的區(qū)別在于，信號(hào)從電荷轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，最后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的方式不同。

　　在CMOS中，數(shù)據(jù)路徑的前端高度并行。這允許每個(gè)放大器具有低帶寬。相反，高速CCD具有一定量的并行的輸出通道，但不如高速CMOS那樣擁有大量并行模擬前端，可以進(jìn)行大規(guī)模并行處理。

　　但是，也存在例外情況。CCD在哪些情況下優(yōu)于CMOS的表現(xiàn)呢？

　　近紅外成像

　　要在近紅外光（700至1000nm波長(zhǎng)）中成像，成像器需要具有較厚的光子吸收區(qū)域。這是因?yàn)榧t外光子比硅中可見光子的吸收區(qū)位置要深。

　　大多數(shù)CMOS成像器制造工藝都針對(duì)僅在可見光中成像進(jìn)行了調(diào)整。所以這些成像器對(duì)近紅外（NIR）不太敏感。如要增加基板厚度，改變摻雜水平，則會(huì)影響CMOS模擬和數(shù)字電路的工作。

　　CCD制造可以保證有較厚的基板厚度的同時(shí)，保留其正常的工作能力。所以，專門設(shè)計(jì)為在近紅外光中成像的CCD比CMOS敏感得多。

　　時(shí)延和積分成像

　　時(shí)延和積分（TDI）成像。通常用于機(jī)器視覺和遙感中，其操作與線掃描成像器非常相似，當(dāng)被攝對(duì)象的圖像進(jìn)行逐行掃描時(shí)，每行都會(huì)捕獲對(duì)象的快照。當(dāng)信號(hào)非常微弱時(shí)，TDI最為有用，因?yàn)楸粩z對(duì)象的多個(gè)快照被加在一起，可以創(chuàng)建更強(qiáng)的信號(hào)。

　　當(dāng)前，CCD和CMOS TDI對(duì)多個(gè)快照的疊加合并方式不同。CCD合并信號(hào)電荷，而CMOS TDI合并電壓信號(hào)。求和運(yùn)算在CCD中無噪聲，但在CMOS中則不然。當(dāng)CMOS TDI的行數(shù)超過一定數(shù)目時(shí)，來自求和操作的噪聲疊加，以至于最先進(jìn)的CMOS TDI也無法比普通CCD TDI獲得更少的噪聲。

　　電子倍增成像

　　電子倍增CCD（EMCCD）是一種CCD器件，其結(jié)構(gòu)可以限制信號(hào)在倍增過程中增加的噪聲。這將導(dǎo)致凈信噪比（SNR）增益，所以在信號(hào)微弱的應(yīng)用中，EMCCD可以檢測(cè)到幾于科學(xué)成像。因此EMCCD可用于超低信號(hào)應(yīng)用，通常用于科學(xué)成像。

　　成本考慮

　　而實(shí)際情況中，對(duì)于許多業(yè)務(wù)決策而言，除去針對(duì)具體情況進(jìn)行基于技術(shù)和性能的權(quán)衡，更多的是考慮所付出的價(jià)格所獲得的績(jī)效如何。

　　首先，開發(fā)和定制成本。CMOS成像器的開發(fā)通常更昂貴，因?yàn)镃MOS使用更昂貴的深亞微米掩模。在CMOS器件中還需要設(shè)計(jì)更多的電路，所以CMOS器件的開發(fā)成本較高。

　　其次，數(shù)量決定生產(chǎn)成本。盡管開發(fā)新的CMOS成像器的成本較高，但是可以利用規(guī)模上的加大來降低的CMOS單位生產(chǎn)成本。在大批量生產(chǎn)應(yīng)用情況中，較低的單位生產(chǎn)成本在財(cái)務(wù)上而言總體比較低的開發(fā)成本更為重要。

　　第三，供應(yīng)穩(wěn)定性很重要。圍繞可能停產(chǎn)的成像器件設(shè)計(jì)外圍電路，這非常可怕和昂貴的。所以必須選擇有能力長(zhǎng)期生產(chǎn)成像器件的公司，目前CCD已經(jīng)逐漸退出市場(chǎng)的情況下，CMOS。目前CCD逐漸退出市場(chǎng)的情況下，CMOS方案被越來越多的采用，穩(wěn)定的供應(yīng)幫助其成為了主流成像器件。

　　總結(jié)：CMOS成為主流

　　各種各樣的應(yīng)用有不同的要求。這些要求帶來了影響性能和價(jià)格的約束。價(jià)格與性能之間的權(quán)衡，以及應(yīng)用數(shù)量、供應(yīng)穩(wěn)定性都會(huì)影響對(duì)CMOS和CCD的選擇。由于存在這些復(fù)雜性，因此不可能對(duì)所有應(yīng)用的CMOS和CCD成像做一個(gè)一般性的陳述。

　　但在大多數(shù)可見光成像應(yīng)用中，CMOS成像的性能均優(yōu)于CCD，這也是CMOS逐漸在大部分應(yīng)用領(lǐng)域取代了CCD的原因。但是針對(duì)一些特殊情況，例如信號(hào)微弱時(shí)的時(shí)延和積分成像，近紅外光NIR成像，科學(xué)成像，CCD仍是更好的選擇。