工業(yè)相機(jī)中CCD與CMOS的爭(zhēng)論

十幾年以前，成像質(zhì)量被認(rèn)為是最重要的因素。因此CCD在各類成像任務(wù)中完勝CMOS圖像傳感器（CIS）。但到現(xiàn)在，手機(jī)攝像頭使用的CIS受巨額研發(fā)投資推動(dòng)，已在成像質(zhì)量上趕上CCD。一些評(píng)論家認(rèn)為，在不久的將來(lái)，機(jī)器視覺(jué)市場(chǎng)將由CIS相機(jī)主導(dǎo)。針對(duì)兩者各種屬性的爭(zhēng)論是一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題，而且CCD技術(shù)也并沒(méi)有停滯不前。人們?cè)趶V泛談?wù)?/span>CIS搶奪CCD市場(chǎng)份額，不過(guò)，CCD依然代表較高端應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)（如機(jī)器視覺(jué)）一種重要的圖像傳感器技術(shù)。

法國(guó)市場(chǎng)研究公司Yole Développment最近一份報(bào)告顯示，2012年CIS市場(chǎng)規(guī)模為66億美元，預(yù)計(jì)到2017年達(dá)到110億美元。報(bào)告指出，2011年，手機(jī)攝像頭占CIS出貨量的65%，手機(jī)攝像頭也是圖像傳感器制造技術(shù)發(fā)展的重要推動(dòng)力。報(bào)告同時(shí)預(yù)計(jì)，由于內(nèi)置相機(jī)能提高汽車安全性和駕駛輔助性能，2017年車載CIS市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到4億美元，這個(gè)市場(chǎng)更像一個(gè)工業(yè)成像市場(chǎng)，需要具有全局開(kāi)關(guān)、高動(dòng)態(tài)范圍和弱光靈敏度等特點(diǎn)的高性能圖像傳感器。

在工業(yè)成像領(lǐng)域，基本上有三類硅基成像儀：面掃描型、線掃描型和時(shí)間延遲積分（TDI）型。Teledyne Dalsa公司設(shè)計(jì)和生產(chǎn)CCD和CIS，公司成像科學(xué)與技術(shù)總監(jiān)Nixon O博士這樣描述CCD和CIS的市場(chǎng)劃分：“在機(jī)器視覺(jué)中，多數(shù)面掃描成像儀為CIS；在線掃描成像儀中，我推測(cè)兩者大約五五分；而TDI領(lǐng)域幾乎是CCD的天下?！?/span>

結(jié)構(gòu)差異

一般而言，在給定的分辨率下，幀速更高時(shí)CIS優(yōu)于CCD，而CCD圖像像素均勻性更佳。在CCD的結(jié)構(gòu)中，像素通過(guò)同一個(gè)放大器讀出，因此所有像素的電子-電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換均在同一處進(jìn)行；而在CIS中，這一轉(zhuǎn)換過(guò)程在各像素內(nèi)分別進(jìn)行。CIS生產(chǎn)商CMOSIS公司的首席運(yùn)營(yíng)官Lou Hermans表示，其結(jié)果就是高速CIS能通過(guò)設(shè)計(jì)獲得比高速CCD更低的噪聲，對(duì)機(jī)器視覺(jué)而言，這是一個(gè)重大的優(yōu)點(diǎn)，并指出在工業(yè)成像領(lǐng)域，CIS正在奪取CCD的市場(chǎng)份額。他給出了兩個(gè)原因：1、機(jī)器視覺(jué)要求更高幀速，CIS在高幀速下性能更好；2、制造技術(shù)的進(jìn)步：在他看來(lái)，CIS能提供與CCD相同的成像質(zhì)量，而且還具備其它一些優(yōu)點(diǎn)，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(jī)，在將成像設(shè)備集成到空間狹小的生產(chǎn)線中時(shí)，這一點(diǎn)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(dú)的控制器芯片和模/數(shù)轉(zhuǎn)換器。而在CIS中，模/數(shù)轉(zhuǎn)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(shuō)：“使用CCD，你需要使用更多組件，而且當(dāng)你需要提升幀速這一機(jī)器視覺(jué)業(yè)重視的參數(shù)時(shí)，性能就會(huì)下降?！?/span>

CMOSIS公司的CIS配備全局快門(mén)，類似內(nèi)線轉(zhuǎn)移CCD。對(duì)機(jī)器視覺(jué)而言，拍攝移動(dòng)物體的靜止圖像非常重要。公司首席技術(shù)官Guy Meynants表示，他們的設(shè)計(jì)能讓CIS結(jié)合相關(guān)雙采樣和全局快門(mén)，降低噪聲。但他也承認(rèn)，使用全局快門(mén)的CIS在噪聲方面依然稍微落后于CCD。“如果你需要全局開(kāi)關(guān)和低噪聲而又對(duì)速度沒(méi)有要求，那么CCD依然優(yōu)于CIS?！?/span>

從另一方面講，電子-電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換在CIS各像素內(nèi)分別進(jìn)行也是一個(gè)缺點(diǎn)，這使各像素的轉(zhuǎn)換結(jié)果稍有不同，導(dǎo)致背景噪聲或表現(xiàn)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(guò)Truesense成像公司（原柯達(dá)成像業(yè)務(wù)部）市場(chǎng)經(jīng)理Michael DeLuca指出，CCD的優(yōu)勢(shì)是根本就不存在這種問(wèn)題，因此圖像質(zhì)量相當(dāng)高。這一點(diǎn)在看重?cái)?shù)據(jù)吞吐量的機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用中也很重要。高質(zhì)量CCD無(wú)需軟件對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理，這意味著圖像分析速度更快。

針對(duì)工業(yè)相機(jī)應(yīng)用，Truesense成像公司在2012年11月的斯圖加特視覺(jué)展示會(huì)上推出第一款CIS KAC-12040，但同時(shí)也推出了兩款高性能CCD。DeLuca解釋說(shuō)，CCD非常適合于在照明條件不可控的苛刻環(huán)境中獲得高成像質(zhì)量，例如戶外成像?！霸谶@種環(huán)境下，CCD仍有許多實(shí)實(shí)在在的優(yōu)點(diǎn)。對(duì)我們而言，推出CIS產(chǎn)品并不是認(rèn)為CCD已經(jīng)失勢(shì)。相反，我們認(rèn)為CCD依然具有非常重要的地位，只是我們同時(shí)也認(rèn)為CIS具有重要地位，我們將這兩種技術(shù)視為可以互補(bǔ)的技術(shù)?！?/span>

CCD依然在提高

在大多數(shù)評(píng)論家一致認(rèn)為CIS的圖像質(zhì)量已經(jīng)非常接近于CCD的同時(shí)，CCD也未停止前進(jìn)的腳步。Point Grey公司的銷售和市場(chǎng)主任Mike Gibbons表示：“CIS和CCD都在進(jìn)步——CIS改進(jìn)圖像質(zhì)量，而CCD改進(jìn)幀速。” Point Grey公司的CCD相機(jī)主要使用SONY公司的CCD，而CMOS相機(jī)中的CIS則購(gòu)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(jié)構(gòu)，即能將圖像傳感器分為四個(gè)象限，這種4抽頭結(jié)構(gòu)能同時(shí)傳輸4幅圖像而不是傳輸一幅較大的圖像?！叭绻?/span>CCD能降低成本并繼續(xù)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(fā)展，CCD還在兩方面優(yōu)于CIS：時(shí)間延遲積分（TDI）和近紅外區(qū)靈敏度。TDI在光信號(hào)微弱時(shí)非常有用，這種結(jié)構(gòu)通過(guò)疊加若干級(jí)信號(hào)的方式，有效地疊加對(duì)同一場(chǎng)景的多次拍攝結(jié)果，獲得更強(qiáng)的信號(hào)。TDI CCD和TDI CMOS疊加不同的信號(hào)：CCD疊加電荷而CMOS疊加電壓，因此前者的疊加過(guò)程不會(huì)產(chǎn)生噪聲但后者會(huì)，而且隨著TDI級(jí)數(shù)的增大，TDICCD性能將優(yōu)于最先進(jìn)的TDICMOS。

CCD另一個(gè)優(yōu)勢(shì)領(lǐng)域是近紅外區(qū)。Teledyne Dalsa公司的Nixon O博士指出， CCD專門(mén)設(shè)計(jì)在近紅外區(qū)獲得高靈敏度，并且遠(yuǎn)比CIS靈敏。究其原因，多數(shù)CIS制造工藝僅針對(duì)需求量大的可見(jiàn)光成像應(yīng)用進(jìn)行調(diào)整。近紅外區(qū)靈敏度與襯底厚度或外延層厚度息息相關(guān)，提高CIS的近紅外區(qū)靈敏度會(huì)降低空間分辨率。相對(duì)而言， CCD在保持高空間分辨率的同時(shí)增厚外延層厚度更容易。一些近紅外CCD外延層厚度超過(guò)100μm，而多數(shù)CIS外延層厚度僅5～10μm。

成本

兩種傳感器技術(shù)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(chǎn)品，CCD比CIS便宜。因?yàn)?/span>CIS使用價(jià)格更高的深亞微米掩模并需要更多的電路。這就是說(shuō)，CIS需要大規(guī)模生產(chǎn)降低單個(gè)器件成本。從相機(jī)制造商的角度看，Point Grey公司能同時(shí)供應(yīng)130萬(wàn)像素GigE接口CCD相機(jī)和130萬(wàn)像素USB 3.0接口CMOS相機(jī)，價(jià)格大致相等。

CIS與CCD的競(jìng)爭(zhēng)展望

一般而言，多數(shù)機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用正在過(guò)渡至CIS，而更多的科學(xué)應(yīng)用和需要很高圖像質(zhì)量、又不需要高幀速的應(yīng)用仍然使用CCD。Nixon O博士說(shuō)：“我預(yù)計(jì)CIS將最終占據(jù)需求量高的面掃描和線掃描成像儀市場(chǎng)，而定制化、小批量、更專業(yè)的應(yīng)用則更偏向于使用定制CCD。在不久的將來(lái)，TDI成像儀將繼續(xù)由CCD占據(jù)，在更遙遠(yuǎn)的未來(lái)，TDI成像儀可能發(fā)展為混合CCD和CIS的產(chǎn)品?！?/span>

CMOSIS公司的Hermans對(duì)此表示贊同：“在科學(xué)應(yīng)用中，總有一些小眾市場(chǎng)需要CCD。如在天文學(xué)領(lǐng)域，CCD能提供一些特定的優(yōu)點(diǎn)。從長(zhǎng)期看，CIS將占領(lǐng)機(jī)器視覺(jué)市場(chǎng)?！辈贿^(guò)他認(rèn)為機(jī)器視覺(jué)產(chǎn)品壽命長(zhǎng)，因此可能需要5～10年完成這一過(guò)渡。

在制造工藝方面， CCD和CMOS技術(shù)都在不斷完善和微調(diào)。CMOSIS公司的Meynants暗示，機(jī)器視覺(jué)傳感器更高分辨率、更小像素尺寸的需求可能會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)不同的CIS工藝技術(shù)。這方面的發(fā)展將再次由手機(jī)攝像頭生產(chǎn)商推動(dòng)，其產(chǎn)品像素尺寸已降至1μm。相比之下，CMOSIS公司的1200萬(wàn)像素產(chǎn)品CMV12000像素尺寸為5.5μm，盡管工業(yè)相機(jī)傾向于更大的像素尺寸以獲得更好成像性能。Meynants緊接著說(shuō)，如果幀速保持不變但分辨率提高，總的數(shù)據(jù)速率將提升，這需要更快的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、讀出和電路。這是面臨的另一項(xiàng)挑戰(zhàn)：更高的讀出速度。

根據(jù)Yole Développement公司的市場(chǎng)報(bào)告，下一項(xiàng)技術(shù)突破很可能來(lái)自SONY公司。該公司制成首個(gè)針對(duì)消費(fèi)市場(chǎng)的堆疊式CIS結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)中，像素區(qū)堆疊在信號(hào)處理區(qū)上而不是位于同一平面，這樣像素區(qū)和信號(hào)處理區(qū)就能分別進(jìn)行針對(duì)性工藝優(yōu)化，制成擁有更高靈敏度、更快讀出速度和信號(hào)處理電路集成度更高的圖像傳感器。

在一項(xiàng)更偏向于實(shí)驗(yàn)室研究性質(zhì)的工作中，德國(guó)弗勞恩霍夫微電子電路和系統(tǒng)研究所的研究人員報(bào)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(yīng)用的單光子3D成像微電子陣列）項(xiàng)目的一部分，其像素結(jié)構(gòu)能在數(shù)皮秒內(nèi)計(jì)數(shù)單個(gè)光子，速度是同類產(chǎn)品的1000倍。

很難說(shuō)明CCD和CIS此消彼長(zhǎng)的速度和程度?？赡軙?huì)出現(xiàn)類似手機(jī)攝像頭市場(chǎng)那樣的發(fā)展軌跡。不過(guò)較高端的機(jī)器視覺(jué)市場(chǎng)有自己獨(dú)特的需求，如圖像質(zhì)量和性能。因此，可能兩者都會(huì)擁有自己的一席之地。