關于 CMOS 與 CCD 成像器的相對優勢已有很多文章。這場爭論似乎從大多數人記事起就一直在持續，但目前還沒有明確的結論。確切的答案難以捉摸也就不足為奇了，因為這個話題并不是一成不變的。技術和市場的發展不僅影響技術上的可行性，也影響商業上的可行性。成像儀應用多種多樣，具有不同且不斷變化的要求。有些應用最適合使用 CMOS 成像器，有些則適合使用 CCD。在本文中，我們將嘗試通過檢查不同的情況、解釋一些鮮為人知的技術權衡以及引入成本考慮因素來使討論更加清晰。

一開始...

CCD(電荷耦合器件)和 CMOS(互補金屬氧化物半導體)圖像傳感器是兩種不同的數字捕捉圖像技術。每個都有獨特的優點和缺點，在不同的應用中具有優勢。

兩種類型的成像儀都將光轉換為電荷并將其處理為電子信號。在 CCD 傳感器中，每個像素的電荷都通過數量非常有限的輸出節點(通常只有一個)傳輸，然后轉換為電壓、進行緩沖并作為模擬信號發送到芯片外。所有像素都可以專門用于光捕獲，并且輸出的均勻性(圖像質量的關鍵因素)很高。在CMOS傳感器中，每個像素都有自己的電荷到電壓轉換，傳感器通常還包括放大器、噪聲校正和數字化電路，以便芯片輸出數字位。這些其他功能增加了設計復雜性并減少了可用于光捕獲的面積。由于每個像素都進行自己的轉換，均勻性較低，但它也是大規模并行的，允許高總帶寬以實現高速。

CCD 和 CMOS 成像器都依靠光電效應從光中產生電信號

CCD 和 CMOS 成像儀均發明于 20 世紀 60 年代末和 1970 年代(DALSA 創始人 Savvas Chamberlain 博士是開發這兩種技術的先驅)。 CCD 之所以占據主導地位，主要是因為它們利用現有的制造技術提供了更優質的圖像。 CMOS 圖像傳感器需要比硅晶圓代工廠當時能夠提供的更高的均勻性和更小的特征。直到 20 世紀 90 年代，光刻技術才發展到設計人員可以再次開始使用 CMOS 成像器的程度。人們對 CMOS 重新產生興趣是基于對降低功耗、片上相機集成以及通過重用主流邏輯和存儲器件制造來降低制造成本的期望。在實踐中實現這些好處，同時提供高圖像質量需要花費更多的時間、金錢、和工藝適應比最初的預測建議的要好，但 CMOS 成像器已加入 CCD 成為主流、成熟的技術。

適用于消費類應用的大容量成像儀

憑借較小組件的更低功耗和更高集成度的承諾，CMOS 設計人員將精力集中在移動電話成像器上，這是世界上產量最高的圖像傳感器應用。我們投入了大量資金來開發和微調 CMOS 成像器及其制造工藝。由于這項投資，我們見證了圖像質量的巨大改進，即使像素尺寸縮小了。因此，在大批量消費領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，CMOS 成像器都優于 CCD。

手機推動 CMOS 成像器體積

機器視覺成像儀

在機器視覺領域，面掃描成像儀和線掃描成像儀借助移動電話成像儀的巨大投資來取代 CCD。對于大多數機器視覺區域和線掃描成像儀來說，CCD 也已成為過去的技術。

CMOS 成像器相對于機器視覺 CCD 的性能優勢值得簡要解釋。對于機器視覺，關鍵參數是速度和噪聲。 CMOS 和 CCD 成像器的不同之處在于信號從信號電荷轉換為模擬信號并最終轉換為數字信號的方式。在 CMOS 區域和線掃描成像器中，該數據路徑的前端是大規模并行的。這使得每個放大器具有低帶寬。當信號到達數據路徑瓶頸(通常是成像器和片外電路之間的接口)時，CMOS 數據就牢牢地處于數字域中。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 成像器大規模并行。因此，每個 CCD 放大器具有更高的帶寬，從而導致更高的噪聲。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)范圍內成像，成像儀需要具有更厚的光子吸收區域。這是因為紅外光子在硅中比可見光子被吸收得更深。

大多數 CMOS 成像器制造工藝均針對僅在可見光中成像的大批量應用進行了調整。這些成像儀對近紅外 (NIR) 不太敏感。事實上，它們被設計為在近紅外范圍內盡可能不敏感。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合，則增加基板厚度(或更準確地說，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 模擬和數字電路的運行。

近紅外成像中硅太陽能電池的裂紋很明顯

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

專門設計為在近紅外區域具有高靈敏度的 CCD 比 CMOS 成像器靈敏得多。

紫外成像儀

由于紫外光子在非常靠近硅表面的地方被吸收，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，現代紫外成像儀的背面都變薄了，大多數在硅成像表面上只有一層非常薄的增透膜。

盡管背面減薄現在在移動成像儀中普遍存在，但紫外線響應卻并非如此。為了實現穩定的紫外線響應，無論成像器是 CMOS 還是 CCD，成像器表面都需要特殊的表面處理。許多為可見光成像而開發的背面減薄成像儀都具有厚氧化層，在長時間暴露于紫外線后會變色并吸收紫外線。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，導致大部分紫外光生電子因復合而丟失。

當今的深亞微米光刻需要深紫外光進行質量檢查

所有線掃描成像儀都可以實現紫外線響應和背面減薄，但并非所有區域成像儀都可以實現。全局快門區域 CCD 都不能進行背面減薄。 CMOS 區域成像器的情況更好，但仍然需要權衡。帶有卷簾快門的 CMOS 區域成像儀可以進行背面減薄。傳統的 CMOS 全局快門區域成像器在每個像素中都有存儲節點，在變薄時需要屏蔽這些節點，但前提是這些紫外線敏感成像器也將在可見光下成像。在背面減薄區域成像器中，如果不嚴重降低成像器的填充因子(光敏區域與總像素區域的比率)，則不可能有效地屏蔽部分像素免受入射照明。還有其他類型的 CMOS 全局快門區域成像器沒有光敏存儲節點，但噪聲較高，降低全井、卷簾快門或這些的組合。

時間延遲和積分成像儀

除了面掃描和線掃描成像儀之外，還有另一種重要類型的成像儀。時間延遲和積分 (TDI) 成像器通常用于機器視覺和遙感，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(通常是數百)條線。當對象的圖像移動經過每條線時，每條線都會捕獲該對象的快照。當信號非常弱時，TDI 最有用，因為將對象的多個快照添加在一起以創建更強的信號。

TDI 成像儀結合了與物體運動同步的多次曝光

CCD 結合信號電荷，而 CMOS TDI 可以結合電壓或電荷信號。電荷求和操作可以是無噪聲的，但 CMOS 電壓求和卻不能。當 CMOS 電壓域 TDI 的行數超過一定數量時，求和操作產生的噪聲會累積到無法與電荷域 TDI 匹配的程度。權衡是速度和成本。 CCD TDI 提供很高的靈敏度，但最終會達到速度限制。 CMOS 具有速度優勢，但電荷域 CMOS TDI 的設計和制造難度更大、成本更高。對于較少數量的行求和，電壓域 TDI 求和可以提供經濟高效的高性能，但對于最具挑戰性(最高速度、最低光)的應用，電荷域 CMOS TDI(如 Teledyne 的 Linea HS 相機中的那樣))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程中添加的噪聲的方式倍增信號電荷包的結構的 CCD。這會產生凈信噪比 (SNR) 增益。在信號非常微弱以至于僅高于成像儀本底噪聲的應用中，EMCCD 可以檢測到以前難以辨別的信號。

與 CMOS 相比，當成像器不需要高速成像時，EMCCD 最具優勢。高速運行會增加 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太大，特別是與專門設計為具有極低讀取噪聲的科學 CMOS 成像器相比。高速 EMCCD 還比傳統成像儀消耗更多的功率。

EMCCD 適用于信號極低的應用，通常在科學成像中

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

成本考慮

到目前為止，我們主要關注 CMOS 和 CCD 成像器之間的性能差異。如果認為業務決策僅基于性能權衡，那就太天真了。對于許多業務決策者來說，更重要的是價值，或者說付出的代價所獲得的性能。

成本情況可能很復雜，因此我們將只關注幾個重要的點。

杠桿、體積、良率和每個晶圓上的器件數量都會影響成本

首先，杠桿是關鍵。冒著聲明顯而易見的風險，市場上已有的成像器的成本將比完全定制的成像器低得多，無論它是 CMOS 還是 CCD 成像器。如果需要定制，除非更改很小，否則開發定制 CCD 通常比開發定制 CMOS 成像器更便宜。 CMOS 成像器的開發通常更昂貴，因為 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計。因此，即使在定制 CMOS 成像器明顯具有更好性能的應用中，其價值主張仍然有利于定制 CCD。

其次，數量很重要。盡管開發新型 CMOS 成像器的成本較高，但能夠利用更大規模經濟的 CMOS 成像器的單位成本將會更低。對于大批量，低單位成本在財務上可能比低開發成本更重要。

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

結論

為應用選擇正確的成像儀從來都不是一件簡單的任務。不同的應用有不同的要求。這些要求施加了影響性能和價格的約束。考慮到這些復雜性，不可能對 CMOS 與 CCD 成像器做出適用于所有應用的一般性陳述也就不足為奇了。

在大多數可見光成像應用中，CMOS 面陣和線掃描成像儀的性能優于 CCD。 TDI CCD 用于高速、低照度應用，其性能優于 CMOS TDI。由于需要在近紅外范圍內成像，CCD 成為某些面掃描和線掃描應用的更好選擇。為了在紫外線下成像，背面減薄后的表面處理是關鍵，全局快門要求也是如此。對極低噪聲的需求帶來了新的限制，但 CMOS 在高讀出速度下通常仍優于 CCD。性價比的權衡可能有利于 CCD 或 CMOS 成像器，具體取決于杠桿、數量和供應安全。

審核編輯 黃宇