第十九屆安博會將于10月28至30日在深圳召開。在六號館館當中，我們將見到非常多的供應鏈上游廠商，其中不乏許多鏡頭和感光元件廠商的身影。
視頻監(jiān)控系統(tǒng)的核心技術(shù)部件是光學成像器件，而光學成像器件主要包括鏡頭及感光器件，目前感光器件主要是CCD和CMOS兩種。
CCD(電荷耦合器件)和CMOS(互補金屬氧化物半導體)圖像傳感器是用于獲取數(shù)字圖像的兩種不同器件。兩者都有優(yōu)點和缺點，在不同的應用中具有各自的優(yōu)勢。
關(guān)于CMOS相對于CCD的相對優(yōu)勢，已有許多討論。辯論一直持續(xù)了很久，只是并沒有明確的結(jié)論。這并不奇怪，因為問題不是一成不變的。
技術(shù)和市場在發(fā)展，不僅影響技術(shù)上可行的東西，而且影響商業(yè)上可行的東西。成像器件的應用是多種多樣的，同時需求也在不斷變化。
首先，CCD和CMOS成像均依靠光電效應從光產(chǎn)生電信號，兩種類型的成像元件原理都是將光轉(zhuǎn)換成電荷并將其處理成電子信號。
在CCD傳感器中，每個像素的電荷都通過數(shù)量非常有限的輸出節(jié)點(通常只有一個)傳輸，然后轉(zhuǎn)換為電壓，進行緩沖并作為模擬信號在芯片外發(fā)送。所有像素均可用于光捕獲，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，每個像素都有其自己的電荷到電壓的轉(zhuǎn)換，并且該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)字信號。這些其他功能(較CCD而言)增加了設計復雜度，并減少了可用于捕獲光的面積。每個像素進行轉(zhuǎn)換時，均勻度會降低。
CCD和CMOS成像器都是在1960年代末和1970年代發(fā)明的。CCD在一開始占主導地位，主要是因為它們可以利用已有的制造技術(shù)提供出色的圖像。CMOS圖像傳感器需要更高的一致性和更小制造工藝，而當時的晶圓代工廠無法提供。
直到1990年代，光刻技術(shù)才發(fā)展到讓設計者可以考慮CMOS的地步。對CMOS的重新關(guān)注是基于對降低功耗，增加集成度以及通過復用主流邏輯和存儲器件降低制造成本等方面的考量。在投入了大量的時間、金錢和工藝改進后，CMOS在實際生產(chǎn)中滿足了上述期望，從而成為了成熟的主流技術(shù)。
在兩者共存的情況下，某些應用使用CMOS可以獲得更好的效果，而某些情況要使用CCD。通過比較不同的情況，我們可以理解其中的技術(shù)折衷以及一些成本的考量。
視頻設備的成像
憑借更低的功耗和更高的集成度，更小的組件，CMOS成功在手機成像方面獲得青睞。為了開發(fā)和微調(diào)CMOS成像器及其制造工藝，半導體產(chǎn)業(yè)的上游企業(yè)投入了大量資金，隨著像素尺寸縮小，圖像質(zhì)量有了很大提高。
因此，在消費電子領(lǐng)域和視頻監(jiān)控領(lǐng)域，基于幾乎所有性能參數(shù)，CMOS成像的性能均優(yōu)于CCD。
機器視覺成像
在機器視覺中，得益于巨大的手機成像獲得投資后帶來的發(fā)展，于大多數(shù)機器視覺領(lǐng)域的面掃描和線掃描器件，CCD也是過去的技術(shù)了。
對于機器視覺，關(guān)鍵參數(shù)是速度和噪聲。CMOS和CCD成像的區(qū)別在于，信號從電荷轉(zhuǎn)換為模擬信號，后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的方式不同。
在CMOS中，數(shù)據(jù)路徑的前端高度并行。這允許每個放大器具有低帶寬。相反，高速CCD具有一定量的并行的輸出通道，但不如高速CMOS那樣擁有大量并行模擬前端，可以進行大規(guī)模并行處理。
但是，也存在例外情況。CCD在哪些情況下優(yōu)于CMOS的表現(xiàn)呢？
近紅外成像
要在近紅外光(700至1000nm波長)中成像，成像器需要具有較厚的光子吸收區(qū)域。這是因為紅外光子比硅中可見光子的吸收區(qū)位置要深。
大多數(shù)CMOS成像器制造工藝都針對僅在可見光中成像進行了調(diào)整。所以這些成像器對近紅外(NIR)不太敏感。如要增加基板厚度，改變摻雜水平，則會影響CMOS模擬和數(shù)字電路的工作。
CCD制造可以保證有較厚的基板厚度的同時，保留其正常的工作能力。所以，專門設計為在近紅外光中成像的CCD比CMOS敏感得多。
時延和積分成像
時延和積分(TDI)成像。通常用于機器視覺和遙感中，其操作與線掃描成像器非常相似，當被攝對象的圖像進行逐行掃描時，每行都會捕獲對象的快照。當信號非常微弱時，TDI有用，因為被攝對象的多個快照被加在一起，可以創(chuàng)建更強的信號。
當前，CCD和CMOS TDI對多個快照的疊加合并方式不同。CCD合并信號電荷，而CMOS TDI合并電壓信號。求和運算在CCD中無噪聲，但在CMOS中則不然。當CMOS TDI的行數(shù)超過一定數(shù)目時，來自求和操作的噪聲疊加，以至于*的CMOS TDI也無法比普通CCD TDI獲得更少的噪聲。
電子倍增成像
電子倍增CCD(EMCCD)是一種CCD器件，其結(jié)構(gòu)可以限制信號在倍增過程中增加的噪聲。這將導致凈信噪比(SNR)增益，所以在信號微弱的應用中，EMCCD可以檢測到幾于科學成像。因此EMCCD可用于超低信號應用，通常用于科學成像。
成本考慮
而實際情況中，對于許多業(yè)務決策而言，除去針對具體情況進行基于技術(shù)和性能的權(quán)衡，更多的是考慮所付出的價格所獲得的績效如何。
首先，開發(fā)和定制成本。CMOS成像器的開發(fā)通常更昂貴，因為CMOS使用更昂貴的深亞微米掩模。在CMOS器件中還需要設計更多的電路，所以CMOS器件的開發(fā)成本較高。
其次，數(shù)量決定生產(chǎn)成本。盡管開發(fā)新的CMOS成像器的成本較高，但是可以利用規(guī)模上的加大來降低的CMOS單位生產(chǎn)成本。在大批量生產(chǎn)應用情況中，較低的單位生產(chǎn)成本在財務上而言總體比較低的開發(fā)成本更為重要。
第三，供應穩(wěn)定性很重要。圍繞可能停產(chǎn)的成像器件設計外圍電路，這非?？膳潞桶嘿F的。所以必須選擇有能力長期生產(chǎn)成像器件的公司，目前CCD已經(jīng)逐漸退出市場的情況下，CMOS。目前CCD逐漸退出市場的情況下，CMOS方案被越來越多的采用，穩(wěn)定的供應幫助其成為了主流成像器件。
總結(jié)：CMOS成為主流
各種各樣的應用有不同的要求。這些要求帶來了影響性能和價格的約束。價格與性能之間的權(quán)衡，以及應用數(shù)量、供應穩(wěn)定性都會影響對CMOS和CCD的選擇。由于存在這些復雜性，因此不可能對所有應用的CMOS和CCD成像做一個一般性的陳述。
但在大多數(shù)可見光成像應用中，CMOS成像的性能均優(yōu)于CCD，這也是CMOS逐漸在大部分應用領(lǐng)域取代了CCD的原因。但是針對一些特殊情況，例如信號微弱時的時延和積分成像，近紅外光NIR成像，科學成像，CCD仍是更好的選擇。
