關(guān)于 CMOS 與 CCD 成像器的相對(duì)優(yōu)勢(shì)已有很多文章。這場(chǎng)爭(zhēng)論似乎從大多數(shù)人記事起就一直在持續(xù)，但目前還沒(méi)有明確的結(jié)論。確切的答案難以捉摸也就不足為奇了，因?yàn)檫@個(gè)話題并不是一成不變的。技術(shù)和市場(chǎng)的發(fā)展不僅影響技術(shù)上的可行性，也影響商業(yè)上的可行性。成像儀應(yīng)用多種多樣，具有不同且不斷變化的要求。有些應(yīng)用最適合使用 CMOS 成像器，有些則適合使用 CCD。在本文中，我們將嘗試通過(guò)檢查不同的情況、解釋一些鮮為人知的技術(shù)權(quán)衡以及引入成本考慮因素來(lái)使討論更加清晰。

一開(kāi)始...

CCD(電荷耦合器件)和 CMOS(互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)圖像傳感器是兩種不同的數(shù)字捕捉圖像技術(shù)。每個(gè)都有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，在不同的應(yīng)用中具有優(yōu)勢(shì)。

兩種類(lèi)型的成像儀都將光轉(zhuǎn)換為電荷并將其處理為電子信號(hào)。在 CCD 傳感器中，每個(gè)像素的電荷都通過(guò)數(shù)量非常有限的輸出節(jié)點(diǎn)(通常只有一個(gè))傳輸，然后轉(zhuǎn)換為電壓、進(jìn)行緩沖并作為模擬信號(hào)發(fā)送到芯片外。所有像素都可以專(zhuān)門(mén)用于光捕獲，并且輸出的均勻性(圖像質(zhì)量的關(guān)鍵因素)很高。在CMOS傳感器中，每個(gè)像素都有自己的電荷到電壓轉(zhuǎn)換，傳感器通常還包括放大器、噪聲校正和數(shù)字化電路，以便芯片輸出數(shù)字位。這些其他功能增加了設(shè)計(jì)復(fù)雜性并減少了可用于光捕獲的面積。由于每個(gè)像素都進(jìn)行自己的轉(zhuǎn)換，均勻性較低，但它也是大規(guī)模并行的，允許高總帶寬以實(shí)現(xiàn)高速。

CCD 和 CMOS 成像器都依靠光電效應(yīng)從光中產(chǎn)生電信號(hào)

CCD 和 CMOS 成像儀均發(fā)明于 20 世紀(jì) 60 年代末和 1970 年代(DALSA 創(chuàng)始人 Savvas Chamberlain 博士是開(kāi)發(fā)這兩種技術(shù)的先驅(qū))。 CCD 之所以占據(jù)主導(dǎo)地位，主要是因?yàn)樗鼈兝矛F(xiàn)有的制造技術(shù)提供了更優(yōu)質(zhì)的圖像。 CMOS 圖像傳感器需要比硅晶圓代工廠當(dāng)時(shí)能夠提供的更高的均勻性和更小的特征。直到 20 世紀(jì) 90 年代，光刻技術(shù)才發(fā)展到設(shè)計(jì)人員可以再次開(kāi)始使用 CMOS 成像器的程度。人們對(duì) CMOS 重新產(chǎn)生興趣是基于對(duì)降低功耗、片上相機(jī)集成以及通過(guò)重用主流邏輯和存儲(chǔ)器件制造來(lái)降低制造成本的期望。在實(shí)踐中實(shí)現(xiàn)這些好處，同時(shí)提供高圖像質(zhì)量需要花費(fèi)更多的時(shí)間、金錢(qián)、和工藝適應(yīng)比最初的預(yù)測(cè)建議的要好，但 CMOS 成像器已加入 CCD 成為主流、成熟的技術(shù)。

適用于消費(fèi)類(lèi)應(yīng)用的大容量成像儀

憑借較小組件的更低功耗和更高集成度的承諾，CMOS 設(shè)計(jì)人員將精力集中在移動(dòng)電話成像器上，這是世界上產(chǎn)量最高的圖像傳感器應(yīng)用。我們投入了大量資金來(lái)開(kāi)發(fā)和微調(diào) CMOS 成像器及其制造工藝。由于這項(xiàng)投資，我們見(jiàn)證了圖像質(zhì)量的巨大改進(jìn)，即使像素尺寸縮小了。因此，在大批量消費(fèi)領(lǐng)域和線掃描成像器的情況下，基于幾乎所有可以想象的性能參數(shù)，CMOS 成像器都優(yōu)于 CCD。

手機(jī)推動(dòng) CMOS 成像器體積

機(jī)器視覺(jué)成像儀

在機(jī)器視覺(jué)領(lǐng)域，面掃描成像儀和線掃描成像儀借助移動(dòng)電話成像儀的巨大投資來(lái)取代 CCD。對(duì)于大多數(shù)機(jī)器視覺(jué)區(qū)域和線掃描成像儀來(lái)說(shuō)，CCD 也已成為過(guò)去的技術(shù)。

CMOS 成像器相對(duì)于機(jī)器視覺(jué) CCD 的性能優(yōu)勢(shì)值得簡(jiǎn)要解釋。對(duì)于機(jī)器視覺(jué)，關(guān)鍵參數(shù)是速度和噪聲。 CMOS 和 CCD 成像器的不同之處在于信號(hào)從信號(hào)電荷轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)并最終轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的方式。在 CMOS 區(qū)域和線掃描成像器中，該數(shù)據(jù)路徑的前端是大規(guī)模并行的。這使得每個(gè)放大器具有低帶寬。當(dāng)信號(hào)到達(dá)數(shù)據(jù)路徑瓶頸(通常是成像器和片外電路之間的接口)時(shí)，CMOS 數(shù)據(jù)就牢牢地處于數(shù)字域中。相比之下，高速 CCD 具有大量并行快速輸出通道，但不如高速 CMOS 成像器大規(guī)模并行。因此，每個(gè) CCD 放大器具有更高的帶寬，從而導(dǎo)致更高的噪聲。最后，高速 CMOS 成像器的噪聲可以比高速 CCD 低得多。

然而，這一一般性聲明也有一些重要的例外情況。

近紅外成像儀

為了在近紅外(700 至 1000 nm)范圍內(nèi)成像，成像儀需要具有更厚的光子吸收區(qū)域。這是因?yàn)榧t外光子在硅中比可見(jiàn)光子被吸收得更深。

大多數(shù) CMOS 成像器制造工藝均針對(duì)僅在可見(jiàn)光中成像的大批量應(yīng)用進(jìn)行了調(diào)整。這些成像儀對(duì)近紅外 (NIR) 不太敏感。事實(shí)上，它們被設(shè)計(jì)為在近紅外范圍內(nèi)盡可能不敏感。如果較厚的外延層未與較高的像素偏置電壓或較低的外延電壓相結(jié)合，則增加基板厚度(或更準(zhǔn)確地說(shuō)，外延或外延層厚度)以提高紅外靈敏度將降低成像儀解析空間特征的能力。興奮劑水平。改變電壓或外延摻雜將影響 CMOS 模擬和數(shù)字電路的運(yùn)行。

近紅外成像中硅太陽(yáng)能電池的裂紋很明顯

CCD 可以用更厚的外延層制造，同時(shí)保留其解析精細(xì)空間特征的能力。在一些近紅外 CCD 中，外延層厚度超過(guò) 100 微米，而大多數(shù) CMOS 成像器中的外延層厚度為 5 至 10 微米。對(duì)于較厚的外延層，還必須修改 CCD 像素偏置和外延層濃度，但對(duì) CCD 電路的影響比 CMOS 更容易管理。

專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)為在近紅外區(qū)域具有高靈敏度的 CCD 比 CMOS 成像器靈敏得多。

紫外成像儀

由于紫外光子在非?？拷璞砻娴牡胤奖晃?，因此紫外成像儀不得含有阻礙紫外光子吸收的多晶硅、氮化物或厚氧化層。因此，現(xiàn)代紫外成像儀的背面都變薄了，大多數(shù)在硅成像表面上只有一層非常薄的增透膜。

盡管背面減薄現(xiàn)在在移動(dòng)成像儀中普遍存在，但紫外線響應(yīng)卻并非如此。為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的紫外線響應(yīng)，無(wú)論成像器是 CMOS 還是 CCD，成像器表面都需要特殊的表面處理。許多為可見(jiàn)光成像而開(kāi)發(fā)的背面減薄成像儀都具有厚氧化層，在長(zhǎng)時(shí)間暴露于紫外線后會(huì)變色并吸收紫外線。一些背面減薄成像器的成像表面被高摻雜硼層鈍化，該硼層延伸到硅外延太深，導(dǎo)致大部分紫外光生電子因復(fù)合而丟失。

當(dāng)今的深亞微米光刻需要深紫外光進(jìn)行質(zhì)量檢查

所有線掃描成像儀都可以實(shí)現(xiàn)紫外線響應(yīng)和背面減薄，但并非所有區(qū)域成像儀都可以實(shí)現(xiàn)。全局快門(mén)區(qū)域 CCD 都不能進(jìn)行背面減薄。 CMOS 區(qū)域成像器的情況更好，但仍然需要權(quán)衡。帶有卷簾快門(mén)的 CMOS 區(qū)域成像儀可以進(jìn)行背面減薄。傳統(tǒng)的 CMOS 全局快門(mén)區(qū)域成像器在每個(gè)像素中都有存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)，在變薄時(shí)需要屏蔽這些節(jié)點(diǎn)，但前提是這些紫外線敏感成像器也將在可見(jiàn)光下成像。在背面減薄區(qū)域成像器中，如果不嚴(yán)重降低成像器的填充因子(光敏區(qū)域與總像素區(qū)域的比率)，則不可能有效地屏蔽部分像素免受入射照明。還有其他類(lèi)型的 CMOS 全局快門(mén)區(qū)域成像器沒(méi)有光敏存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)，但噪聲較高，降低全井、卷簾快門(mén)或這些的組合。

時(shí)間延遲和積分成像儀

除了面掃描和線掃描成像儀之外，還有另一種重要類(lèi)型的成像儀。時(shí)間延遲和積分 (TDI) 成像器通常用于機(jī)器視覺(jué)和遙感，其操作方式與線掃描成像器非常相似，不同之處在于 TDI 有許多(通常是數(shù)百)條線。當(dāng)對(duì)象的圖像移動(dòng)經(jīng)過(guò)每條線時(shí)，每條線都會(huì)捕獲該對(duì)象的快照。當(dāng)信號(hào)非常弱時(shí)，TDI 最有用，因?yàn)閷?duì)象的多個(gè)快照添加在一起以創(chuàng)建更強(qiáng)的信號(hào)。

TDI 成像儀結(jié)合了與物體運(yùn)動(dòng)同步的多次曝光

CCD 結(jié)合信號(hào)電荷，而 CMOS TDI 可以結(jié)合電壓或電荷信號(hào)。電荷求和操作可以是無(wú)噪聲的，但 CMOS 電壓求和卻不能。當(dāng) CMOS 電壓域 TDI 的行數(shù)超過(guò)一定數(shù)量時(shí)，求和操作產(chǎn)生的噪聲會(huì)累積到無(wú)法與電荷域 TDI 匹配的程度。權(quán)衡是速度和成本。 CCD TDI 提供很高的靈敏度，但最終會(huì)達(dá)到速度限制。 CMOS 具有速度優(yōu)勢(shì)，但電荷域 CMOS TDI 的設(shè)計(jì)和制造難度更大、成本更高。對(duì)于較少數(shù)量的行求和，電壓域 TDI 求和可以提供經(jīng)濟(jì)高效的高性能，但對(duì)于最具挑戰(zhàn)性(最高速度、最低光)的應(yīng)用，電荷域 CMOS TDI(如 Teledyne 的 Linea HS 相機(jī)中的那樣))提供最高的性能。

電子倍增

電子倍增 CCD (EMCCD) 是具有以限制倍增過(guò)程中添加的噪聲的方式倍增信號(hào)電荷包的結(jié)構(gòu)的 CCD。這會(huì)產(chǎn)生凈信噪比 (SNR) 增益。在信號(hào)非常微弱以至于僅高于成像儀本底噪聲的應(yīng)用中，EMCCD 可以檢測(cè)到以前難以辨別的信號(hào)。

與 CMOS 相比，當(dāng)成像器不需要高速成像時(shí)，EMCCD 最具優(yōu)勢(shì)。高速運(yùn)行會(huì)增加 CCD 的讀取噪聲。因此，即使 EMCCD 的 SNR 有所提高，EMCCD 和 CMOS 成像器之間的差異可能也不會(huì)太大，特別是與專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)為具有極低讀取噪聲的科學(xué) CMOS 成像器相比。高速 EMCCD 還比傳統(tǒng)成像儀消耗更多的功率。

EMCCD 適用于信號(hào)極低的應(yīng)用，通常在科學(xué)成像中

低噪聲 CMOS 成像器可能不具備 CCD 的 NIR、UV 或 TDI 集成優(yōu)勢(shì)。因此，由于信號(hào)可能要弱得多，即使讀取噪聲與 EMCCD 所能達(dá)到的性能相當(dāng)，EMCCD 解決方案總體上仍然可能更好。

成本考慮

到目前為止，我們主要關(guān)注 CMOS 和 CCD 成像器之間的性能差異。如果認(rèn)為業(yè)務(wù)決策僅基于性能權(quán)衡，那就太天真了。對(duì)于許多業(yè)務(wù)決策者來(lái)說(shuō)，更重要的是價(jià)值，或者說(shuō)付出的代價(jià)所獲得的性能。

成本情況可能很復(fù)雜，因此我們將只關(guān)注幾個(gè)重要的點(diǎn)。

杠桿、體積、良率和每個(gè)晶圓上的器件數(shù)量都會(huì)影響成本

首先，杠桿是關(guān)鍵。冒著聲明顯而易見(jiàn)的風(fēng)險(xiǎn)，市場(chǎng)上已有的成像器的成本將比完全定制的成像器低得多，無(wú)論它是 CMOS 還是 CCD 成像器。如果需要定制，除非更改很小，否則開(kāi)發(fā)定制 CCD 通常比開(kāi)發(fā)定制 CMOS 成像器更便宜。 CMOS 成像器的開(kāi)發(fā)通常更昂貴，因?yàn)?CMOS 使用更昂貴的深亞微米掩模。 CMOS 器件中還有更多的電路需要設(shè)計(jì)。因此，即使在定制 CMOS 成像器明顯具有更好性能的應(yīng)用中，其價(jià)值主張仍然有利于定制 CCD。

其次，數(shù)量很重要。盡管開(kāi)發(fā)新型 CMOS 成像器的成本較高，但能夠利用更大規(guī)模經(jīng)濟(jì)的 CMOS 成像器的單位成本將會(huì)更低。對(duì)于大批量，低單位成本在財(cái)務(wù)上可能比低開(kāi)發(fā)成本更重要。

第三，供給保障很重要。留下圍繞已停產(chǎn)的成像儀設(shè)計(jì)的產(chǎn)品的成本非常高。盡管有更好的價(jià)值主張，但選擇最有能力長(zhǎng)期生產(chǎn)成像器(CMOS 或 CCD)的公司可能更為明智。

結(jié)論

為應(yīng)用選擇正確的成像儀從來(lái)都不是一件簡(jiǎn)單的任務(wù)。不同的應(yīng)用有不同的要求。這些要求施加了影響性能和價(jià)格的約束?？紤]到這些復(fù)雜性，不可能對(duì) CMOS 與 CCD 成像器做出適用于所有應(yīng)用的一般性陳述也就不足為奇了。

在大多數(shù)可見(jiàn)光成像應(yīng)用中，CMOS 面陣和線掃描成像儀的性能優(yōu)于 CCD。 TDI CCD 用于高速、低照度應(yīng)用，其性能優(yōu)于 CMOS TDI。由于需要在近紅外范圍內(nèi)成像，CCD 成為某些面掃描和線掃描應(yīng)用的更好選擇。為了在紫外線下成像，背面減薄后的表面處理是關(guān)鍵，全局快門(mén)要求也是如此。對(duì)極低噪聲的需求帶來(lái)了新的限制，但 CMOS 在高讀出速度下通常仍?xún)?yōu)于 CCD。性?xún)r(jià)比的權(quán)衡可能有利于 CCD 或 CMOS 成像器，具體取決于杠桿、數(shù)量和供應(yīng)安全。

審核編輯 黃宇