工业相机中CCD与CMOS的争论

十几年以前，成像质量被认为是最重要的因素。因此CCD在各类成像任务中完胜CMOS图像传感器（CIS）。但到现在，手机摄像头使用的CIS受巨额研发投资推动，已在成像质量上赶上CCD。一些评论家认为，在不久的将来，机器视觉市场将由CIS相机主导。针对两者各种属性的争论是一个复杂的问题，而且CCD技术也并没有停滞不前。人们在广泛谈论CIS抢夺CCD市场份额，不过，CCD依然代表较高端应用领域内（如机器视觉）一种重要的图像传感器技术。

法国市场研究公司Yole Développment最近一份报告显示，2012年CIS市场规模为66亿美元，预计到2017年达到110亿美元。报告指出，2011年，手机摄像头占CIS出货量的65%，手机摄像头也是图像传感器制造技术发展的重要推动力。报告同时预计，由于内置相机能提高汽车安全性和驾驶辅助性能，2017年车载CIS市场规模将达到4亿美元，这个市场更像一个工业成像市场，需要具有全局开关、高动态范围和弱光灵敏度等特点的高性能图像传感器。

在工业成像领域，基本上有三类硅基成像仪：面扫描型、线扫描型和时间延迟积分（TDI）型。Teledyne Dalsa公司设计和生产CCD和CIS，公司成像科学与技术总监Nixon O博士这样描述CCD和CIS的市场划分：“在机器视觉中，多数面扫描成像仪为CIS；在线扫描成像仪中，我推测两者大约五五分；而TDI领域几乎是CCD的天下。”

结构差异

一般而言，在给定的分辨率下，帧速更高时CIS优于CCD，而CCD图像像素均匀性更佳。在CCD的结构中，像素通过同一个放大器读出，因此所有像素的电子-电压信号转换均在同一处进行；而在CIS中，这一转换过程在各像素内分别进行。CIS生产商CMOSIS公司的首席运营官Lou Hermans表示，其结果就是高速CIS能通过设计获得比高速CCD更低的噪声，对机器视觉而言，这是一个重大的优点，并指出在工业成像领域，CIS正在夺取CCD的市场份额。他给出了两个原因：1、机器视觉要求更高帧速，CIS在高帧速下性能更好；2、制造技术的进步：在他看来，CIS能提供与CCD相同的成像质量，而且还具备其它一些优点，即能将外围电路集成到CIS芯片中。“将电路集成到芯片上，能制成更小、更轻的相机，在将成像设备集成到空间狭小的生产线中时，这一点非常重要。”

一般而言，唯一能集成到CCD上的电路是模拟输出放大器。CCD需要单独的控制器芯片和模/数转换器。而在CIS中，模/数转换及图像传感器的所有控制功能都能集成到芯片上。Lou Hermans说：“使用CCD，你需要使用更多组件，而且当你需要提升帧速这一机器视觉业重视的参数时，性能就会下降。”

CMOSIS公司的CIS配备全局快门，类似内线转移CCD。对机器视觉而言，拍摄移动物体的静止图像非常重要。公司首席技术官Guy Meynants表示，他们的设计能让CIS结合相关双采样和全局快门，降低噪声。但他也承认，使用全局快门的CIS在噪声方面依然稍微落后于CCD。“如果你需要全局开关和低噪声而又对速度没有要求，那么CCD依然优于CIS。”

从另一方面讲，电子-电压信号转换在CIS各像素内分别进行也是一个缺点，这使各像素的转换结果稍有不同，导致背景噪声或表现为图像上的像素间非均匀性。虽然可使用多种修正算法使CIS图像像素输出更加一致，不过Truesense成像公司（原柯达成像业务部）市场经理Michael DeLuca指出，CCD的优势是根本就不存在这种问题，因此图像质量相当高。这一点在看重数据吞吐量的机器视觉应用中也很重要。高质量CCD无需软件对图像进行预处理，这意味着图像分析速度更快。

针对工业相机应用，Truesense成像公司在2012年11月的斯图加特视觉展示会上推出第一款CIS KAC-12040，但同时也推出了两款高性能CCD。DeLuca解释说，CCD非常适合于在照明条件不可控的苛刻环境中获得高成像质量，例如户外成像。“在这种环境下，CCD仍有许多实实在在的优点。对我们而言，推出CIS产品并不是认为CCD已经失势。相反，我们认为CCD依然具有非常重要的地位，只是我们同时也认为CIS具有重要地位，我们将这两种技术视为可以互补的技术。”

CCD依然在提高

在大多数评论家一致认为CIS的图像质量已经非常接近于CCD的同时，CCD也未停止前进的脚步。Point Grey公司的销售和市场主任Mike Gibbons表示：“CIS和CCD都在进步——CIS改进图像质量，而CCD改进帧速。” Point Grey公司的CCD相机主要使用SONY公司的CCD，而CMOS相机中的CIS则购自Aptina、SONY、On Semiconductor和e2v公司。Gibbons表示，许多SONY的新CCD都具有4抽头结构，即能将图像传感器分为四个象限，这种4抽头结构能同时传输4幅图像而不是传输一幅较大的图像。“如果CCD能降低成本并继续提升帧速，为什么一定要用CIS而不用CCD呢？”

除了帧速方面的发展，CCD还在两方面优于CIS：时间延迟积分（TDI）和近红外区灵敏度。TDI在光信号微弱时非常有用，这种结构通过叠加若干级信号的方式，有效地叠加对同一场景的多次拍摄结果，获得更强的信号。TDI CCD和TDI CMOS叠加不同的信号：CCD叠加电荷而CMOS叠加电压，因此前者的叠加过程不会产生噪声但后者会，而且随着TDI级数的增大，TDICCD性能将优于最先进的TDICMOS。

CCD另一个优势领域是近红外区。Teledyne Dalsa公司的Nixon O博士指出， CCD专门设计在近红外区获得高灵敏度，并且远比CIS灵敏。究其原因，多数CIS制造工艺仅针对需求量大的可见光成像应用进行调整。近红外区灵敏度与衬底厚度或外延层厚度息息相关，提高CIS的近红外区灵敏度会降低空间分辨率。相对而言， CCD在保持高空间分辨率的同时增厚外延层厚度更容易。一些近红外CCD外延层厚度超过100μm，而多数CIS外延层厚度仅5～10μm。

成本

两种传感器技术的成本难以精确地确定。Nixon O博士表示，若研制用户定制化产品，CCD比CIS便宜。因为CIS使用价格更高的深亚微米掩模并需要更多的电路。这就是说，CIS需要大规模生产降低单个器件成本。从相机制造商的角度看，Point Grey公司能同时供应130万像素GigE接口CCD相机和130万像素USB 3.0接口CMOS相机，价格大致相等。

CIS与CCD的竞争展望

一般而言，多数机器视觉应用正在过渡至CIS，而更多的科学应用和需要很高图像质量、又不需要高帧速的应用仍然使用CCD。Nixon O博士说：“我预计CIS将最终占据需求量高的面扫描和线扫描成像仪市场，而定制化、小批量、更专业的应用则更偏向于使用定制CCD。在不久的将来，TDI成像仪将继续由CCD占据，在更遥远的未来，TDI成像仪可能发展为混合CCD和CIS的产品。”

CMOSIS公司的Hermans对此表示赞同：“在科学应用中，总有一些小众市场需要CCD。如在天文学领域，CCD能提供一些特定的优点。从长期看，CIS将占领机器视觉市场。”不过他认为机器视觉产品寿命长，因此可能需要5～10年完成这一过渡。

在制造工艺方面， CCD和CMOS技术都在不断完善和微调。CMOSIS公司的Meynants暗示，机器视觉传感器更高分辨率、更小像素尺寸的需求可能会导致出现不同的CIS工艺技术。这方面的发展将再次由手机摄像头生产商推动，其产品像素尺寸已降至1μm。相比之下，CMOSIS公司的1200万像素产品CMV12000像素尺寸为5.5μm，尽管工业相机倾向于更大的像素尺寸以获得更好成像性能。Meynants紧接着说，如果帧速保持不变但分辨率提高，总的数据速率将提升，这需要更快的模/数转换器、读出和电路。这是面临的另一项挑战：更高的读出速度。

根据Yole Développement公司的市场报告，下一项技术突破很可能来自SONY公司。该公司制成首个针对消费市场的堆叠式CIS结构。在这种结构中，像素区堆叠在信号处理区上而不是位于同一平面，这样像素区和信号处理区就能分别进行针对性工艺优化，制成拥有更高灵敏度、更快读出速度和信号处理电路集成度更高的图像传感器。

在一项更偏向于实验室研究性质的工作中，德国弗劳恩霍夫微电子电路和系统研究所的研究人员报道了基于单光子雪崩放大器的超高灵敏度CIS，这是MiSPiA（用于弱光高速安防应用的单光子3D成像微电子阵列）项目的一部分，其像素结构能在数皮秒内计数单个光子，速度是同类产品的1000倍。

很难说明CCD和CIS此消彼长的速度和程度。可能会出现类似手机摄像头市场那样的发展轨迹。不过较高端的机器视觉市场有自己独特的需求，如图像质量和性能。因此，可能两者都会拥有自己的一席之地。