工業相機中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）。但到現在，手機攝像頭使用的CIS受巨額研發投資推動，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市場規模將達到4億美元，這個市場更像一個工業成像市場，需要具有全局開關、高動態范圍和弱光靈敏度等特點的高性能圖像傳感器。

在工業成像領域，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Nixon O博士這樣描述CCD和CIS的市場劃分：“在機器視覺中，多數面掃描成像儀為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，這是一個重大的優點，并指出在工業成像領域，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點，即能將外圍電路集成到CIS芯片中。“將電路集成到芯片上，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。”

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/數轉換器。而在CIS中，模/數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重視的參數時，性能就會下降。”

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。“如果你需要全局開關和低噪聲而又對速度沒有要求，那么CCD依然優于CIS。”

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（原柯達成像業務部）市場經理Michael DeLuca指出，CCD的優勢是根本就不存在這種問題，因此圖像質量相當高。這一點在看重數據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境中獲得高成像質量，例如戶外成像。“在這種環境下，CCD仍有許多實實在在的優點。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。”

CCD依然在提高

在大多數評論家一致認為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。” 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。“如果CCD能降低成本并繼續提升幀速，為什么一定要用CIS而不用CCD呢？”

除了幀速方面的發展，CCD還在兩方面優于CIS：時間延遲積分（TDI）和近紅外區靈敏度。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級數的增大，TDICCD性能將優于最先進的TDICMOS。

CCD另一個優勢領域是近紅外區。Teledyne Dalsa公司的Nixon O博士指出， CCD專門設計在近紅外區獲得高靈敏度，并且遠比CIS靈敏。究其原因，多數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成像儀將繼續由CCD占據，在更遙遠的未來，TDI成像儀可能發展為混合CCD和CIS的產品。”

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不同的CIS工藝技術。這方面的發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，總的數據速率將提升，這需要更快的模/數轉換器、讀出和電路。這是面臨的另一項挑戰：更高的讀出速度。

根據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，像素區堆疊在信號處理區上而不是位于同一平面，這樣像素區和信號處理區就能分別進行針對性工藝優化，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，其像素結構能在數皮秒內計數單個光子，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。可能會出現類似手機攝像頭市場那樣的發展軌跡。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。