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          全面比較CMOS和CCD在普通工業相機成像、紅外成像、紫外成像等領域的區別


          DALSA 是世界上最專業的 MEMS、高壓 CMOS 和先進 CCD制造商之一,關于CCDCMOS以及CMOS和CCD在不同領域應用的有著更專業的分析。

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

          一、滿足客戶需求的大規模成像器

          為了實現低能耗和小型組件的高度集成,CMOS設計師開始關注開發手機成像器——世界上規模最大的成像器應用。大量資金投入到開發和微調CMOS成像器及其生產工藝方面。正因為此,CMOS成像器的圖像質量即使在像素尺寸收縮的情況下仍然大為改善。因此,在大批量消費類面陣和線陣傳感器上,無論是哪一個性能參數,CMOS傳感器都勝過CCD。

          二、機器視覺成像(普通工業相機成像)

          就機器視覺而言,受到大量手機成像器投資的推動,CMOS面陣和線陣成像器開始超越了CDD成像器。對于大多數的機器視覺面陣和線陣成像器而言,CCD已不再具備技術優勢。

          現在我們將簡要描述CMOS成像器在機器視覺上優于 CCD的原因。機器視覺的關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面陣和線陣成像器中,數據通路的前端是大規模并行的。這樣,每個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,CMOS數據已經是數字的。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,高速CMOS成像器的設計噪聲可低于高速CCD。

          然而,有時也會出現例外情況。

          三、近紅外成像(近紅外工業相機)

          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成像器無法實現較高的像素偏壓或較低的外延摻雜度,那么通過增加基片厚度,更精確地說,是外延或外延層的厚度,改善紅外敏感度將會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,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。

          專門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(紫外高感工業相機)

          由于紫外光子在十分靠近硅表面時被吸收,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過了減薄處理,多數只會在硅成像表面的上方加上一層薄薄的抗反射膜。

          雖然背面減薄技術在移動成像器上已屢見不鮮,然而在紫外成像上卻并非如此。無論是CMOS或是CCD,成像器表面必須經過特殊的表面處理,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,可在紫外成像時改變或吸收紫外光。某些背面減薄成像器的成像表面則經過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程丟失。

          紫外響應和背面減薄技術可應用在所有線陣成像器上,但不能應用在所有面陣成像器上。所有全局快門面陣CCD成像器均不可采用背面減薄。在這點上,雖然有些代價,但是CMOS面陣成像器的情況較好。卷簾快門面陣CMOS成像器可背面減薄。如果紫外敏感成像器也需要在可見光中成像,傳統CMOS全局快門面陣成像器的每個像素的存儲節點經過背面減薄處理后需要被遮擋。背面減薄成像器無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)。有些類型的CMOS全局快門面陣成像器盡管沒有光敏感存儲節點,但是具備以下全部或部分特性:高噪聲、低阱容或卷簾快門。

          五、時間延遲積分成像

          除了面陣和線陣成像器外,時間延遲積分成像器也是一種重要的成像器類型。時間延遲積分 (TDI) 成像器通常用于機器視覺和遙感操作。它的操作與線陣成像器類似,不同之處在于時間延遲積分成像器擁有上百條線陣。當物體影像移動通過每條線時,每條線都會捕捉到物體的快照。因為在時間延遲積分成像器中,物體的多重快照能夠相加在一起,從而產生強烈的信號,因此時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可實現無噪聲相加,但CMOS不能。當CMOS時間延遲積分成像器的行數較多時,相加的噪聲極高。即使是最先進的CMOS 時間延遲積分成像器,它的噪聲也不可能比CCD時間延遲積分成像器低。

          CMOS 時間延遲積分成像器的一個發展方向在于模擬CCD 時間延遲積分成像器,使其具備類似CCD的像素,從而實現電荷相加。我們稱之為電荷域CMOS時間延遲積分成像器。電荷域CMOS 時間延遲積分成像器在技術上是可行的,但是如果需要進一步開發、微調和完善這一技術需要投入更多的成本。與CMOS面陣和線陣成像器相比,電荷域CMOS 時間延遲積分成像器的成本很高。手機 既不需要時間延遲積分成像器也不需要相加電荷。因此,CMOS 時間延遲積分成像器的前景并不太樂觀。

          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,同時避免在相乘過程中帶來噪聲。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。

          在無需高速成像的應用中, EMCCD的性能優于CMOS。高速操作會增加CCD的讀出噪聲。因此,對于改進了信噪比的EMCCD,EMCCD和CMOS成像器的差別并不大,特別是專為低讀出噪聲設計的科學級CMOS成像器。與傳統成像器相比,高速EMCCD還可顯著降低功率。

          低噪聲CMOS成像器在信噪比、紫外吸收或時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勢的。

          七、CCD和CMOS芯片的成本因素

          至此為止,我們已經討論了CMOS和CCD 成像器在性能上的不同點。如果認為商業決策的決定因素只有性能,那這個想法實屬天真。許多商業決策者更多關注的是產品的價值,或者說是在相同價格下能夠獲取的性能有多少。

          成本因素十分復雜,本文只關注最重要的幾點。

          首先,價格杠桿是關鍵。正如前述風險所述,無論是CMOS或是CCD,市場在售的成像器的價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成像器的價格一般低于定制CMOS的價格。由于CMOS成像器采用的深亞微米掩膜價格較高,因此CMOS成像器的研發價格也相應地高于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,但是考慮到價格因素,客戶仍然更加親睞定制CCD成像器。

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

          第三,供應安全性。如果成像器的相關產品斷產,也將大大增加成本。除價格因素外,選擇一個能夠持續生產成像器 – CMOS或CCD – 的公司也很重要。

          八、總結:CCD和CMOS哪個好

          根據特定應用要求選擇一個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格產生影響。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更勝一籌也就不足為奇了。

          在多數可見光成像應用中,CMOS面陣和線陣成像器優于CCD成像器。然而,在高速低照明應用中,CCD時間延遲積分成像器優于CMOS時間延遲積分成像器。在近紅外成像方面, CCD面陣和線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,能否實施背面減薄表面處理是關鍵。此外,低噪聲要求也是一個因素。在這一方面,因為擁有高讀出速度,CMOS的優勢比CCD更為明顯??偠灾?,價格和性能之間的權衡都會影響對CCD或是CMOS的評定,具體取決于杠桿、規模和供應安全性。

          東莞市富愛其光電是專業的工業相機供應商,全面提供工業CCD相機選型及技術支持,歡迎查詢。


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