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CCD和CMOS哪个更好?
2019-10-29

第十九届安博会将于10月28至30日在深圳召开。在六号馆国际馆当中,我们将见到非常多的供应链上游厂商,其中不乏许多镜头和感光元件厂商的身影。


  视频监控系统的核心技术部件是光学成像器件,而光学成像器件主要包括镜头及感光器件,目前感光器件主要是CCD和CMOS两种。



CCD传感器




CMOS传感器


  CCD(电荷耦合器件)和CMOS(互补金属氧化物半导体)图像传感器是用于获取数字图像的两种不同器件。两者都有独特的优点和缺点,在不同的应用中具有各自的优势。


  关于CMOS相对于CCD的相对优势,已有许多讨论。辩论一直持续了很久,只是并没有明确的结论。这并不奇怪,因为问题不是一成不变的。


  技术和市场在发展,不仅影响技术上可行的东西,而且影响商业上可行的东西。成像器件的应用是多种多样的,同时需求也在不断变化。


  首先,CCD和CMOS成像均依靠光电效应从光产生电信号,两种类型的成像元件原理都是将光转换成电荷并将其处理成电子信号。


  在CCD传感器中,每个像素的电荷都通过数量非常有限的输出节点(通常只有一个)传输,然后转换为电压,进行缓冲并作为模拟信号在芯片外发送。所有像素均可用于光捕获,并且输出的均匀性(图像质量的关键因素)很高。


  在CMOS传感器中,每个像素都有其自己的电荷到电压的转换,并且该传感器通常还包括放大器,噪声校正和数字化电路,以便芯片输出数字信号。这些其他功能(较CCD而言)增加了设计复杂度,并减少了可用于捕获光的面积。每个像素进行转换时,均匀度会降低。


  CCD和CMOS成像器都是在1960年代末和1970年代发明的。CCD在一开始占主导地位,主要是因为它们可以利用已有的制造技术提供出色的图像。CMOS图像传感器需要更高的一致性和更小制造工艺,而当时的晶圆代工厂无法提供。


  直到1990年代,光刻技术才发展到让设计者可以考虑CMOS的地步。对CMOS的重新关注是基于对降低功耗,增加集成度以及通过复用主流逻辑和存储器件降低制造成本等方面的考量。在投入了大量的时间、金钱和工艺改进后,CMOS在实际生产中满足了上述期望,从而成为了成熟的主流技术。


  在两者共存的情况下,某些应用使用CMOS可以获得更好的效果,而某些情况最好使用CCD。通过比较不同的情况,我们可以理解其中的技术折衷以及一些成本的考量。


  视频设备的成像



  凭借更低的功耗和更高的集成度,更小的组件,CMOS成功在手机成像方面获得青睐——这是世界上体量最大的图像传感器应用。为了开发和微调CMOS成像器及其制造工艺,半导体产业的上游企业投入了大量资金,随着像素尺寸缩小,图像质量有了极大提高。


  因此,在消费电子领域和视频监控领域,基于几乎所有性能参数,CMOS成像的性能均优于CCD。


  机器视觉成像


  在机器视觉中,得益于巨大的手机成像获得投资后带来的发展,于大多数机器视觉领域的面扫描和线扫描器件,CCD也是过去的技术了。



  对于机器视觉,关键参数是速度和噪声。CMOS和CCD成像的区别在于,信号从电荷转换为模拟信号,最后转换为数字信号的方式不同。


  在CMOS中,数据路径的前端高度并行。这允许每个放大器具有低带宽。相反,高速CCD具有一定量的并行的输出通道,但不如高速CMOS那样拥有大量并行模拟前端,可以进行大规模并行处理。


  但是,也存在例外情况。CCD在哪些情况下优于CMOS的表现呢?


  近红外成像


  要在近红外光(700至1000nm波长)中成像,成像器需要具有较厚的光子吸收区域。这是因为红外光子比硅中可见光子的吸收区位置要深。


  大多数CMOS成像器制造工艺都针对仅在可见光中成像进行了调整。所以这些成像器对近红外(NIR)不太敏感。如要增加基板厚度,改变掺杂水平,则会影响CMOS模拟和数字电路的工作。


  CCD制造可以保证有较厚的基板厚度的同时,保留其正常的工作能力。所以,专门设计为在近红外光中成像的CCD比CMOS敏感得多。


  时延和积分成像


  时延和积分(TDI)成像。通常用于机器视觉和遥感中,其操作与线扫描成像器非常相似,当被摄对象的图像进行逐行扫描时,每行都会捕获对象的快照。当信号非常微弱时,TDI最为有用,因为被摄对象的多个快照被加在一起,可以创建更强的信号。


  当前,CCD和CMOS TDI对多个快照的叠加合并方式不同。CCD合并信号电荷,而CMOS TDI合并电压信号。求和运算在CCD中无噪声,但在CMOS中则不然。当CMOS TDI的行数超过一定数目时,来自求和操作的噪声叠加,以至于最先进的CMOS TDI也无法比普通CCD TDI获得更少的噪声。


  电子倍增成像


  电子倍增CCD(EMCCD)是一种CCD器件,其结构可以限制信号在倍增过程中增加的噪声。这将导致净信噪比(SNR)增益,所以在信号微弱的应用中,EMCCD可以检测到几于科学成像。因此EMCCD可用于超低信号应用,通常用于科学成像。



  成本考虑



  而实际情况中,对于许多业务决策而言,除去针对具体情况进行基于技术和性能的权衡,更多的是考虑所付出的价格所获得的绩效如何。


  首先,开发和定制成本。CMOS成像器的开发通常更昂贵,因为CMOS使用更昂贵的深亚微米掩模。在CMOS器件中还需要设计更多的电路,所以CMOS器件的开发成本较高。


  其次,数量决定生产成本。尽管开发新的CMOS成像器的成本较高,但是可以利用规模上的加大来降低的CMOS单位生产成本。在大批量生产应用情况中,较低的单位生产成本在财务上而言总体比较低的开发成本更为重要。


  第三,供应稳定性很重要。围绕可能停产的成像器件设计外围电路,这非常可怕和昂贵的。所以必须选择有能力长期生产成像器件的公司,目前CCD已经逐渐退出市场的情况下,CMOS。目前CCD逐渐退出市场的情况下,CMOS方案被越来越多的采用,稳定的供应帮助其成为了主流成像器件。


  总结:CMOS成为主流


  各种各样的应用有不同的要求。这些要求带来了影响性能和价格的约束。价格与性能之间的权衡,以及应用数量、供应稳定性都会影响对CMOS和CCD的选择。由于存在这些复杂性,因此不可能对所有应用的CMOS和CCD成像做一个一般性的陈述。


  但在大多数可见光成像应用中,CMOS成像的性能均优于CCD,这也是CMOS逐渐在大部分应用领域取代了CCD的原因。但是针对一些特殊情况,例如信号微弱时的时延和积分成像,近红外光NIR成像,科学成像,CCD仍是更好的选择。

 
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