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DALSA 是世界上最專(zhuān)業(yè)的 MEMS、高壓 CMOS 和先進(jìn) CCD制造商之一，關(guān)于CCD和CMOS哪個(gè)好以及CMOS和CCD在不同領(lǐng)域應用的區別有著(zhù)更專(zhuān)業(yè)的分析。

一直以來(lái)，人們總是在討論CMOS和CCD兩種成像器之間的比較優(yōu)勢。雖然關(guān)于哪個(gè)更勝一籌的爭論紛紜已久，但自始至終卻沒(méi)有任何定論浮出水面。由于人們關(guān)注的主題總在不斷變化，因此，關(guān)于問(wèn)題的答案也是不確定的?？萍荚谶M(jìn)步，市場(chǎng)也日新月異，影響產(chǎn)品競爭力的因素不再只是技術(shù)，還包括商業(yè)利益。成像器的應用范圍也發(fā)生了變化，需要滿(mǎn)足更多不同的需求。有一些應用是CMOS成像器的強項，另一些則是CCD的優(yōu)勢。在本文中，我們將深入探討兩種成像器在不同領(lǐng)域的優(yōu)劣勢，并向大家介紹一些鮮為人知的技術(shù)和成本因素。

一、滿(mǎn)足客戶(hù)需求的大規模成像器

為了實(shí)現低能耗和小型組件的高度集成，CMOS設計師開(kāi)始關(guān)注開(kāi)發(fā)手機成像器——世界上規模最大的成像器應用。大量資金投入到開(kāi)發(fā)和微調CMOS成像器及其生產(chǎn)工藝方面。正因為此，CMOS成像器的圖像質(zhì)量即使在像素尺寸收縮的情況下仍然大為改善。因此，在大批量消費類(lèi)面陣和線(xiàn)陣傳感器上，無(wú)論是哪一個(gè)性能參數，CMOS傳感器都勝過(guò)CCD。

二、機器視覺(jué)成像（普通工業(yè)相機成像）

就機器視覺(jué)而言，受到大量手機成像器投資的推動(dòng)，CMOS面陣和線(xiàn)陣成像器開(kāi)始超越了CDD成像器。對于大多數的機器視覺(jué)面陣和線(xiàn)陣成像器而言，CCD已不再具備技術(shù)優(yōu)勢。

現在我們將簡(jiǎn)要描述CMOS成像器在機器視覺(jué)上優(yōu)于 CCD的原因。機器視覺(jué)的關(guān)鍵參數是速度和噪聲。CMOS和CCD成像器主要差別是信號從信號電荷轉換至模擬信號并最終轉換至數字信號的不同方式。在CMOS面陣和線(xiàn)陣成像器中，數據通路的前端是大規模并行的。這樣，每個(gè)放大器都擁有低帶寬。當信號到達數據通路瓶頸，通常是成像器和芯片外電路系統之間的接口時(shí)，CMOS數據已經(jīng)是數字的。相比之下，高速CCD盡管也有很多并行高速輸出通道，但數量規模卻不及高速 CMOS成像器。因此，CCD放大器的帶寬更高，噪聲也更大。也就是說(shuō)，高速CMOS成像器的設計噪聲可低于高速CCD。

然而，有時(shí)也會(huì )出現例外情況。

三、近紅外成像（近紅外工業(yè)相機）

成像器必須具備較厚的光子吸收區域，才能在近紅外（700至1000nm）光譜上成像。這是因為與可見(jiàn)光子相比，紅外光子的吸收深度更深。

多數CMOS成像器的制造工藝是針對可見(jiàn)光影像的大規模應用設計的。這些成像器對近紅外(NIR)并不十分敏感。事實(shí)上，成像器制造工藝盡可能降低對NIR的敏感程度。如果在具備較厚外延層的條件下，CMOS成像器無(wú)法實(shí)現較高的像素偏壓或較低的外延摻雜度，那么通過(guò)增加基片厚度，更精確地說(shuō)，是外延或外延層的厚度，改善紅外敏感度將會(huì )降低成像器的空間特征分辨能力。改變電壓或外延摻雜度將會(huì )影響CMOS模擬和數字電路的運作。

相反，CCD在具備較厚的外延層的同時(shí)，能夠很好地保持精密空間特征分辨能力。某些近紅外CCD的外延厚度可達100微米，而CMOS成像器的外延厚度僅為 5至10 微米。CCD的像素偏置和外延濃度也必須作出調整，形成更厚的外延，然而與CMOS相比，這種調整對于CCD電路的影響更易控制。

專(zhuān)門(mén)針對近紅外設計的高敏感度CCD成像器比CMOS成像器的敏高度要高得多。

四、紫外成像（紫外高感工業(yè)相機）

由于紫外光子在十分靠近硅表面時(shí)被吸收，因此紫外成像器不能采用可能阻礙紫外光子吸收的多晶硅層、氮化物層或厚氧化層?，F代紫外成像器的背面都經(jīng)過(guò)了減薄處理，多數只會(huì )在硅成像表面的上方加上一層薄薄的抗反射膜。

雖然背面減薄技術(shù)在移動(dòng)成像器上已屢見(jiàn)不鮮，然而在紫外成像上卻并非如此。無(wú)論是CMOS或是CCD，成像器表面必須經(jīng)過(guò)特殊的表面處理，才能夠獲得穩定的紫外響應。某些針對可見(jiàn)光成像設計的背面減薄成像器都貼有一層較厚的氧化膜，可在紫外成像時(shí)改變或吸收紫外光。某些背面減薄成像器的成像表面則經(jīng)過(guò)高硼摻雜膜的鈍化處理，可延展硅外延的深度，從而導致大量紫外光生光子在復合過(guò)程丟失。

紫外響應和背面減薄技術(shù)可應用在所有線(xiàn)陣成像器上，但不能應用在所有面陣成像器上。所有全局快門(mén)面陣CCD成像器均不可采用背面減薄。在這點(diǎn)上，雖然有些代價(jià)，但是CMOS面陣成像器的情況較好。卷簾快門(mén)面陣CMOS成像器可背面減薄。如果紫外敏感成像器也需要在可見(jiàn)光中成像，傳統CMOS全局快門(mén)面陣成像器的每個(gè)像素的存儲節點(diǎn)經(jīng)過(guò)背面減薄處理后需要被遮擋。背面減薄成像器無(wú)法有效地屏蔽部分像素的入射光，除非大大降低成像器的填充系數（光敏感面積與總像素面積的比率）。有些類(lèi)型的CMOS全局快門(mén)面陣成像器盡管沒(méi)有光敏感存儲節點(diǎn)，但是具備以下全部或部分特性：高噪聲、低阱容或卷簾快門(mén)。

五、時(shí)間延遲積分成像

除了面陣和線(xiàn)陣成像器外，時(shí)間延遲積分成像器也是一種重要的成像器類(lèi)型。時(shí)間延遲積分 (TDI) 成像器通常用于機器視覺(jué)和遙感操作。它的操作與線(xiàn)陣成像器類(lèi)似，不同之處在于時(shí)間延遲積分成像器擁有上百條線(xiàn)陣。當物體影像移動(dòng)通過(guò)每條線(xiàn)時(shí)，每條線(xiàn)都會(huì )捕捉到物體的快照。因為在時(shí)間延遲積分成像器中，物體的多重快照能夠相加在一起，從而產(chǎn)生強烈的信號，因此時(shí)間延遲積分成像器特別適合信號很弱的情況。

如今，CCD和CMOS 時(shí)間延遲積分成像器相加多重快照的方式有所不同。CCD將信號電荷相加在一起，而CMOS則將電壓信號相加在一起。CCD可實(shí)現無(wú)噪聲相加，但CMOS不能。當CMOS時(shí)間延遲積分成像器的行數較多時(shí)，相加的噪聲極高。即使是最先進(jìn)的CMOS 時(shí)間延遲積分成像器，它的噪聲也不可能比CCD時(shí)間延遲積分成像器低。

CMOS 時(shí)間延遲積分成像器的一個(gè)發(fā)展方向在于模擬CCD 時(shí)間延遲積分成像器，使其具備類(lèi)似CCD的像素，從而實(shí)現電荷相加。我們稱(chēng)之為電荷域CMOS時(shí)間延遲積分成像器。電荷域CMOS 時(shí)間延遲積分成像器在技術(shù)上是可行的，但是如果需要進(jìn)一步開(kāi)發(fā)、微調和完善這一技術(shù)需要投入更多的成本。與CMOS面陣和線(xiàn)陣成像器相比，電荷域CMOS 時(shí)間延遲積分成像器的成本很高。手機 既不需要時(shí)間延遲積分成像器也不需要相加電荷。因此，CMOS 時(shí)間延遲積分成像器的前景并不太樂(lè )觀(guān)。

六、電子倍增

電子倍增 CCD(EMCCDs)是指帶有相乘信號電荷包結構的CCD，同時(shí)避免在相乘過(guò)程中帶來(lái)噪聲。因此，凈信噪比(SNR)增加了。在信號微弱至略高于成像器本底噪聲的應用中，EMCCD能夠檢測到先前難以檢測到的信號。

在無(wú)需高速成像的應用中， EMCCD的性能優(yōu)于CMOS。高速操作會(huì )增加CCD的讀出噪聲。因此，對于改進(jìn)了信噪比的EMCCD，EMCCD和CMOS成像器的差別并不大，特別是專(zhuān)為低讀出噪聲設計的科學(xué)級CMOS成像器。與傳統成像器相比，高速EMCCD還可顯著(zhù)降低功率。

低噪聲CMOS成像器在信噪比、紫外吸收或時(shí)間延遲積分方面的性能不及CCD。有鑒于此，由于信號可能很弱，即使其他成像器能夠達到EMCCD所具備的讀出噪聲，但是EMCCD解決方案從整體上而言也是最具優(yōu)勢的。

七、CCD和CMOS芯片的成本因素

至此為止，我們已經(jīng)討論了CMOS和CCD 成像器在性能上的不同點(diǎn)。如果認為商業(yè)決策的決定因素只有性能，那這個(gè)想法實(shí)屬天真。許多商業(yè)決策者更多關(guān)注的是產(chǎn)品的價(jià)值，或者說(shuō)是在相同價(jià)格下能夠獲取的性能有多少。

成本因素十分復雜，本文只關(guān)注最重要的幾點(diǎn)。

首先，價(jià)格杠桿是關(guān)鍵。正如前述風(fēng)險所述，無(wú)論是CMOS或是CCD，市場(chǎng)在售的成像器的價(jià)格比全定制成像器低得多。如果非要定制，除非變化很小，那么定制CCD成像器的價(jià)格一般低于定制CMOS的價(jià)格。由于CMOS成像器采用的深亞微米掩膜價(jià)格較高，因此CMOS成像器的研發(fā)價(jià)格也相應地高于CCD成像器。此外，CMOS設備需要設計的電路也更多。因此，即使定制CMOS成像器的應用性能較好，但是考慮到價(jià)格因素，客戶(hù)仍然更加親睞定制CCD成像器。

第二，規模。雖然研發(fā)新款CMOS成像器的價(jià)格較高，考慮到CMOS成像器的規模經(jīng)濟，其單位成本卻相對較低。在考慮規模后，與低研發(fā)成本相比，低單位成本顯然更具吸引力。

第三，供應安全性。如果成像器的相關(guān)產(chǎn)品斷產(chǎn)，也將大大增加成本。除價(jià)格因素外，選擇一個(gè)能夠持續生產(chǎn)成像器 – CMOS或CCD – 的公司也很重要。

八、總結：CCD和CMOS哪個(gè)好

根據特定應用要求選擇一個(gè)正確的成像器絕非易事。不同應用有不同的要求。這些要求將對性能和價(jià)格產(chǎn)生影響。鑒于上述種種復雜因素，難以斷言CMOS或CCD成像器在所有應用中哪個(gè)更勝一籌也就不足為奇了。

在多數可見(jiàn)光成像應用中，CMOS面陣和線(xiàn)陣成像器優(yōu)于CCD成像器。然而，在高速低照明應用中，CCD時(shí)間延遲積分成像器優(yōu)于CMOS時(shí)間延遲積分成像器。在近紅外成像方面， CCD面陣和線(xiàn)陣成像器是更好的選擇。在紫外成像中，考慮到全局快照要求，能否實(shí)施背面減薄表面處理是關(guān)鍵。此外，低噪聲要求也是一個(gè)因素。在這一方面，因為擁有高讀出速度，CMOS的優(yōu)勢比CCD更為明顯?？偠灾?，價(jià)格和性能之間的權衡都會(huì )影響對CCD或是CMOS的評定，具體取決于杠桿、規模和供應安全性。

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