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工業成像的CCD及CMOS技術之對比
 

【作者: Michael DeLuca】   2016年04月21日 星期四

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在工業應用中成像系統的廣泛採用持續擴展,不僅由新的影像感測器技術和產品的開發所推動,還由支援平臺的進步所推動,如電腦功率和高速數據介面。今天,成像系統的使用在各種領域很常見,如配線檢查、交通監測/執法、監控和醫療及科學成像,由於影像感測器技術的進步,使成像性能、讀取速度和解析度提高。隨著影像感測器現在採用電荷耦合元件(CCD)和互補式金屬氧化物半導體(CMOS)技術設計,審視這兩大平臺對於選擇最適合特定應用的影像感測器很有幫助。


電子成像技術的發展始於上世紀60年代,諾貝爾獎得主Boyle和Smith開發出第一個CCD。這些元件是利用摻雜矽的固有能力將光子轉換成電子,並用得到的畫素等級電荷來測量光強度而運作。在架構上,這個設計的最大優勢是簡單,整個畫素區域可用來檢測光子和存儲電荷,提供最大訊號級別,支援高動態範圍。


相同的畫素區域用於將電荷傳送到有限的輸出端,其中電荷被轉換為電壓。隨時間推移,這架構已細化到包括Interline Transfer CCD設計,其中包含畫素等級的一個電子快門,無需相機設計中的機械快門。今天,CCD是採用訂制的半導體製程,高度優化於成像應用,並需要外部電路將類比輸出電壓轉換為數位訊號以用於後續處理。一般而言,CCD的典型特點是高效的電子快門能力、寬動態範圍和出色的影像均勻性。


相比之下,CMOS影像感測器設計最初是利用為主流半導體元件的製造而開發的工藝,如用於邏輯晶片、微處理器和記憶體模組的工藝。這點形成巨大的優勢,如數位處理功能可直接納入晶片中,以增強影像感測器功能。CMOS影像感測器不像CCD將電荷傳送到有限的輸出端,而是把電晶體放置在每一畫素內(或每組畫素),來進行電荷、電壓之間的轉換。這麼一來,電壓(而不是電荷)可經由整個元件傳輸,使得影像讀取變得更快、更靈活。此外,高端處理可直接結合至晶片,如果需要的話,影像感測器可輸出完全處理的JPEG影像,甚至是H.264視訊流。


雖然CCD影像感測器歷來提供比CMOS元件更好的成像性能,但近年來差距已大大縮小,CMOS影像感測器可提供的影像品質現在已勝任多種應用。這可從用於工業成像的最新一代CMOS元件看出,如安森美半導體的PYTHON CMOS影像感測器系列。


儘管最好的CCD可提供的一些成像參數可能仍然超越這一系列,但這些PYTHON元件的影像品質已適用於線上檢測、交通監測/收費、運動分析等等。這使CMOS技術的其他性能優勢更加顯著,如更快的幀率、更低的功耗、感興趣區域(ROI)的成像 。每一項性能對提升產量和支援這些應用都至關重要。


因為這些內在優勢,有人預計CCD影像感測器最終將消亡,因為CMOS技術不斷進步且最終將在所有面向使CCD性能黯然失色。但是,以後CCD和CMOS技術無疑將繼續發展,CCD的基礎架構表明某些區域將繼續保持特定的性能優勢,使CCD成為要求最高成像性能的工業應用的首選技術。


雖然影像均勻性隨著CMOS技術的進步不斷改善,但最高的性能水準仍是在CCD影像感測器應用。這是這些技術架構的直接結果:雖然CMOS元件有數以千計的單獨放大器(每列一個,或甚至每畫素一個),CCD可將電荷從畫素路由至單個放大器,感測器讀取無需藉由任何放大器來放大變化。影像的高均勻性對醫療和科學成像等應用很重要,甚至關鍵的成品檢測,其中這些應用的定量性是提供清晰、未處理的影像的關鍵。此外,使用CCD往往比CMOS元件更容易在縮放至高解析度和大光學格式時保持均勻性。


CCD設計的類比性也令CCD相機能為特定的終端應用「微調」,優化特定的成像特性。例如針對天文攝影的應用,攝影機製造商可選擇充分優化感測器的能力(擴展動態範圍),以犧牲抗溢光為代價(這可能對此應用不是那麼重要)。其他科學成像應用也可得益於CCD提供的極低暗電流,並可能需要長達一個小時以上的曝光時間以偵測極微弱的訊號。


由於諸如此類的架構優勢,安森美半導體如今繼續選擇投資CCD技術和產品。可在最近宣告的新CCD技術平台中找到一個重要的例子,這平台結合Interline TransferCCD的成像性能和可從電子倍增(EMCCD)輸出獲取的極低感光度。


Interline TransferEMCCD的結合能讓一個攝影機同時捕捉到影像場景的一部分(如一個小巷)在極低光照水準下(低至月光或甚至星光),而另一部份處於明亮的光照下(路燈)。這個性能使一個獨立攝影機捕捉到從白天到星光的光照水準影像,是CCD技術所獨有,因為它利用了EMCCD輸出的電荷倍增性 ,也正是CMOS元件限於工作電壓範圍無法提供的特性。結合了這個技術的產品具備1080p解析度以及 30 fps幀率,針對極低光照的監控、科學成像和醫療成像等應用。


儘管我們在比較CCD和CMOS技術時試圖確定一個「贏家」,但這真的對兩者都有損公正,因為每種技術都是獨一無二的,提供不同的終端用戶優勢。雖然採用CMOS技術的產品顯然越來越廣泛,但CCD影像感測器仍然在某些方面保持優勢,使其比CMOS元件更適合某些應用。因此,與其尋找最佳的技術,不如確定考慮中的特定終端應用情況的關鍵性能參數,然後結合這些關鍵需求與不同產品的特性和性能。


雖然某些情況下,基於一種技術的產品可能提供最佳匹配,但在其他可能不是那麼明確的情況下,與可提供兩種技術的公司合作就格外重要,以便獲得客觀的看法。通過獲取同時基於CCD和CMOS兩種技術的廣泛產品陣容的資訊,終端客戶就可確定並選擇真正適合他們特定的終端應用的產品, 而成為真正的贏家。


(作者Michael DeLuca 任職於安森美半導體)


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