CCD与CMOS图像传感器对比

一直以来，人们总是在讨论CMOS和CCD两种成像器之间的比较优势。虽然关于哪个更胜一筹的争论纷纭已久，但自始至终却没有任何定论浮出水面。由于人们关注的主题总在不断变化，因此，关于问题的答案也是不确定的。科技在进步，市场也日新月异，影响产品竞争力的因素不再只是技术，还包括商业利益。成像器的应用范围也发生了变化，需要满足更多不同的需求。有一些应用是CMOS成像器的强项，另一些则是CCD的优势。在本文中，我们将深入探讨两种成像器在不同领域的优劣势，并向大家介绍一些鲜为人知的技术和成本因素。

引言...

CCD (电荷耦合器件)和CMOS(互补性氧化金属半导体)图像传感器是两种不同的数字影像捕捉技术。在不同的应用中，二者的优势和劣势也不同。

CCD和CMOS成像器都是利用光电效应通过光产生电子信号也就是说，成像器将光先转换为电荷，然后进一步处理成为电子信号。在CCD传感器中，每一个像素捕获的电荷通过有限数量的输出节点(通常只有一个)转移，转换成电压信号后保存到缓冲区，再从芯片作为模拟信号传输出去。所有的像素都可以用于光子捕获，输出信号的均匀性相当高，而信号的均匀性是决定图像质量的关键因素。对CMOS传感器而言，每一个像素都有自己的电荷到电压转换机制，传感器通常也包括放大器、噪声校正和数字化处理电路，因而CMOS芯片输出的是数字“位”。这些功能增加了 CMOS 传感器设计的复杂性，也减少了捕获光子的有效面积。考虑到 CMOS 传感器的每一个像素都承担自身的转换任务，因而输出信号的均匀性较低。但是有赖于大规模并行处理架构，CMOS传感器的总带宽较高，速度也更快。

CCD和CMOS成像器均诞生于20世纪60年代末和70年代，DALSA创始人Savvas Chamberlain博士正是研发这两项技术的先驱者。CCD在当时成为主导产品，最主要的原因在当时有限的制造工艺下，CCD可以呈现质量极高的影像。CMOS图像传感器要求要求更高的传输均匀性，以及更小的特征，当时的硅片加工技术并不能满足。一直到 20 世纪 90 年代，平版刻法技术发展到一定程度，设计者才有能力开始设计具有实际意义的 CMOS 成像装置。人们对CMOS 传感器成像装置重新产生了兴趣，主要原因在于：因为重新采用了主流逻辑思维和存储装置的制造工艺，CMOS传感器有望降低功率消耗、实现照相机与芯片集成并降低制造成本。要在实践中实现CMOS的这些好处，同时还要保障高质量的影像，这就需要花费更多的时间、金钱，并增加工艺投入。不过，可喜的是，此时，CMOS成像器终于能够和CDD一样，成为一种成熟的主流技术。

满足客户应用需求的大规模成像器

手机对提高CMOS成像器的规模起了推动作用为了实现低能耗和小型组件的高度集成，CMOS设计师开始关注开发手机成像器——世界上规模最大的成像器应用。大量资金投入到开发和微调CMOS成像器及其生产工艺方面。正因为此，CMOS成像器的图像质量即使在像素尺寸收缩的情况下仍然大为改善。因此，在大批量消费类面阵和线阵传感器上，无论是哪一个性能参数，CMOS传感器都胜过CCD。

机器视觉成像器

就机器视觉而言，受到大量手机成像器投资的推动，CMOS面阵和线阵成像器开始超越了CDD成像器。对于大多数的机器视觉面阵和线阵成像器而言，CCD已不再具备技术优势。

现在我们将简要描述CMOS成像器在机器视觉上优于 CCD的原因。机器视觉的关键参数是速度和噪声。CMOS和CCD成像器主要差别是信号从信号电荷转换至模拟信号并最终转换至数字信号的不同方式。在CMOS面阵和线阵成像器中，数据通路的前端是大规模并行的。这样，每个放大器都拥有低带宽。当信号到达数据通路瓶颈，通常是成像器和芯片外电路系统之间的接口时，CMOS数据已经是数字的。相比之下，高速CCD尽管也有很多并行高速输出通道，但数量规模却不及高速 CMOS成像器。因此，CCD放大器的带宽更高，噪声也更大。也就是说，高速CMOS成像器的设计噪声可低于高速CCD。

然而，有时也会出现例外情况。

近红外成像器

太阳能电池的硅片裂纹将会十分清晰地显示在近红外光谱成像上成像器必须具备较厚的光子吸收区域，才能在近红外(700至1000nm)光谱上成像。这是因为与可见光子相比，红外光子的吸收深度更深。

多数CMOS成像器的制造工艺是针对可见光影像的大规模应用设计的。这些成像器对近红外(NIR)并不十分敏感。事实上，成像器制造工艺尽可能降低对NIR的敏感程度。如果在具备较厚外延层的条件下，CMOS成像器无法实现较高的像素偏压或较低的外延掺杂度，那么通过增加基片厚度，更精确地说，是外延或外延