工业成像的CCD及CMOS技术之对比

　　在工业应用中成像系统的广泛采用持续扩展，不仅由新的影像感测器技术和产品的开发所推动，还由支援平台的进步所推动，如电脑功率和高速数据介面。今天，成像系统的使用在各种领域很常见，如配线检查、交通监测/执法、监控和医疗及科学成像，由于影像感测器技术的进步，使成像性能、读取速度和解析度提高。随着影像感测器现在采用电荷耦合元件(CCD)和互补式金属氧化物半导体(CMOS)技术设计，审视这两大平台对于选择最适合特定应用的影像感测器很有帮助。

　　电子成像技术的发展始于上世纪60年代，诺贝尔奖得主Boyle和Smith开发出第一个CCD。这些元件是利用掺杂矽的固有能力将光子转换成电子，并用得到的画素等级电荷来测量光强度而运作。在架构上，这个设计的最大优势是简单，整个画素区域可用来检测光子和存储电荷，提供最大讯号级别，支援高动态范围。

　　相同的画素区域用于将电荷传送到有限的输出端，其中电荷被转换为电压。随时间推移，这架构已细化到包括Interline Transfer CCD设计，其中包含画素等级的一个电子快门，无需相机设计中的机械快门。今天，CCD是采用订制的半导体制程，高度优化于成像应用，并需要外部电路将类比输出电压转换为数位讯号以用于后续处理。一般而言，CCD的典型特点是高效的电子快门能力、宽动态范围和出色的影像均匀性。

　　相比之下，CMOS影像感测器设计最初是利用为主流半导体元件的制造而开发的工艺，如用于逻辑晶片、微处理器和记忆体模组的工艺。这点形成巨大的优势，如数位处理功能可直接纳入晶片中，以增强影像感测器功能。CMOS影像感测器不像CCD将电荷传送到有限的输出端，而是把电晶体放置在每一画素内(或每组画素)，来进行电荷、电压之间的转换。这么一来，电压(而不是电荷)可经由整个元件传输，使得影像读取变得更快、更灵活。此外，高端处理可直接结合至晶片，如果需要的话，影像感测器可输出完全处理的JPEG影像，甚至是H.264视讯流。

　　虽然CCD影像感测器历来提供比CMOS元件更好的成像性能，但近年来差距已大大缩小，CMOS影像感测器可提供的影像品质现在已胜任多种应用。这可从用于工业成像的最新一代CMOS元件看出，如安森美半导体的PYTHON CMOS影像感测器系列。

　　尽管最好的CCD可提供的一些成像参数可能仍然超越这一系列，但这些PYTHON元件的影像品质已适用于线上检测、交通监测/收费、运动分析等等。这使CMOS技术的其他性能优势更加显着，如更快的帧率、更低的功耗、感兴趣区域(ROI)的成像 。每一项性能对提升产量和支援这些应用都至关重要。

　　因为这些内在优势，有人预计CCD影像感测器最终将消亡，因为CMOS技术不断进步且最终将在所有面向使CCD性能黯然失色。但是，以后CCD和CMOS技术无疑将继续发展，CCD的基础架构表明某些区域将继续保持特定的性能优势，使CCD成为要求最高成像性能的工业应用的首选技术。

　　虽然影像均匀性随着CMOS技术的进步不断改善，但最高的性能水准仍是在CCD影像感测器应用。这是这些技术架构的直接结果：虽然CMOS元件有数以千计的单独放大器(每列一个，或甚至每画素一个)，CCD可将电荷从画素路由至单个放大器，感测器读取无需藉由任何放大器来放大变化。影像的高均匀性对医疗和科学成像等应用很重要，甚至关键的成品检测，其中这些应用的定量性是提供清晰、未处理的影像的关键。此外，使用CCD往往比CMOS元件更容易在缩放至高解析度和大光学格式时保持均匀性。

　　CCD设计的类比性也令CCD相机能为特定的终端应用“微调”，优化特定的成像特性。例如针对天文摄影的应用，摄影机制造商可选择充分优化感测器的能力(扩展动态范围)，以牺牲抗溢光为代价(这可能对此应用不是那么重要)。其他科学成像应用也可得益于CCD提供的极低暗电流，并可能需要长达一个小时以上的曝光时间以侦测极微弱的讯号。

　　由于诸如此类的架构优势，安森美半导体如今继续选择投资CCD技术和产品。可在最近宣告的新CCD技术平台中找到一个重要的例子，这平台结合Interline TransferCCD的成像性能和可从电子倍增(EMCCD)输出获取的极低感光度。

　　Interline TransferEMCCD的结合能让一个摄影机同时捕捉到影像场景的一部分(如一个小巷)在极低光照水准下(低至月光或甚至星光)，而另一部份处于明亮的光照下(路灯)。这个性能使一个独立摄影机捕捉到从白天到星光的光照水准影像，是CCD技术所独有，因为它利用了EMCCD输出的电荷倍增性 ，也正是CMOS元件限于工作电压范围无法提供的特性。结合了这个技术的产品具备1080p解析度以及 30 fps帧率，针对极低光照的监控、科学成像和医疗成像等应用。

　　虽然采用CMOS技术的产品显然越来越广泛，但CCD影像感测器仍然在某些方面保持优势，使其比CMOS元件更适合某些应用。因此，与其寻找最佳的技术，不如确定考虑中的特定终端应用情况的关键性能参数，然后结合这些关键需求与不同产品的特性和性能。

　　虽然某些情况下，基于一种技术的产品可能提供最佳匹配，但在其他可能不是那么明确的情况下，与可提供两种技术的公司合作就格外重要，以便获得客观的看法。通过获取同时基于CCD和CMOS两种技术的广泛产品阵容的资讯，终端客户就可确定并选择真正适合他们特定的终端应用的产品， 而成为真正的赢家。