CCD还有存在的价值吗？

到今天为止，民用相机市场已经彻底淘汰了CCD传感器。现在市面上还流通着一些搭载CCD传感器的中古二手相机，其中一些明星机型还为人津津乐道，比如Leica M9。

在CCD到CMOS的过度时期，很多人在争论CCD 和CMOS孰优孰劣，但到今天CCD已经几乎在我们身边消失了。那么CCD是否还有他存在的价值呢？

图像技术的应用本来就很广泛，而且也不断变化，不同的应用场合会有各自适合的传感器种类。本文试图通过不同场合下的比较，理清一些CCD和CMOS的优劣，也会介绍一些比较鲜为人知的技术细节和成本方面的权衡考量。

什么是CCD和CMOS？

CCD(charge coupled device)中文全称“电荷耦合元件”和CMOS (complementary metal oxide semiconductor)中文全称“互补金属氧化物半导体”传感器是两种不同的图像数码化的技术，各自都有独特的优缺点。

两者都是将光线转化为电荷进而转化为电信号。在CCD传感器上，每个像素的电信号会被传输到少量的输出节点（通常就是一个），然后再转化为电压信号，数模转化以后进行输出。每个像素都可用于图像采集，并且输出图像的均匀性（决定画质的一个关键因素）很高。

在CMOS传感器上，每个像素有自己的电荷到电压转换，并且传感器自带放大，降噪和数字化电路，因此传感器输出的是数字信号。这些附加功能增加了设计难度，降低了可以用于图像采集的传感器面积。由于每个像素自己做信号转换，因此图像均匀性较低，但因为这种平行的工作模式，CMOS在处理速度上有更高的上限。

CCD和CMOS分别是1960和70年代后期发明的（DALSA公司创始人Savvas Chamberlain博士同时是两种技术的先驱人物）。诞生之初由于CMOS的生产技术限制，CCD占了主导地位。90年代印刷技术进步使得CMOS重见天日。当时人们认为CMOS可能可以带来一系列优势，包括低能耗，高集成度和更低的生产成本。虽然事实证明在获得高画质的同时保持所有这些优势比预计的要困难，但CMOS还是和CCD并肩成为了主流科技。

可见光传感器

由于低能耗和高集成度的优势，CMOS设计师专注于手机传感器的设计，这也是当今最大的图像传感器应用市场。这部分市场研发获得巨量投资，结果是，即使像素尺寸越来越小，实际图像质量还是突飞猛进。因此，在大量消费级应用和线扫描传感器市场，CMOS在各方面都优于CCD。

在机器视觉领域，面扫描和线扫描传感器也都搭了手机传感器研发的顺风车。因为在这一应用上，最重要的就是速度和降噪能力，这一方面CMOS传感器远优于CCD。

CMOS传感器上平行的信号转化工作模式，让每个像素自己的放大器拥有很低的带宽。而当信号来到数据传输瓶颈，也就是传感器和晶片外电路衔接处的时候已经完全转化为数字信号了。而高速CCD虽然有大量平行输出通道，但肯定没法和CMOS的“每个像素点平行工作”比，因此CCD放大器的带宽更高，躁点也更多。

然而，也有例外...

近红外光传感器

红外传感器在工业领域可以检测物体发出的热量和运动。在民用领域，汽车、电视使用红外传感器可以检测遥控器发送的信号。

如果要拍摄近红外光（700到1000纳米波长），传感器必须有更厚的感光范围，这是因为红外光子在硅晶体中透射深度比可见光更深。大部分CMOS传感器的制造工艺都是针对大批量应用的可见光，所以对近红外光不敏感。

实际上，CMOS本身就设计成尽可能对近红外光不敏感。如果为了提高近红外光敏感性而增厚外延晶体，又不能增加像素的偏置电压或外延晶体纯度，会降低传感器的解析力，而改变偏置电压或者外延晶体纯度又会影响CMOS传感器和集成电路的运行。

然而CCD却能在增厚外延晶体的同时保持高解析力。在一些近红外光CCD中，外延晶体层厚度能超过100微米，大部分CMOS的外延晶体层只能有5-10微米。CCD传感器的偏置电压和晶体纯度也需要相应改变，但对集成电路的影响却比在CMOS上可控得多。因此针对近红外光的CCD传感器要比CMOS好得多。

TDI高速传感器

除了线扫描和面扫描传感器之外，还有一种叫做“时间延迟积分”（TDI）传感器的，在机器视觉和远程感应领域很常用。这种传感器和线扫描传感器很像，但是它们是由成百上千“条”线组成。当物体的成像移动经过传感器时，每条线都记录下影像，最后再把图像信号叠加起来，拼成一条线扫描的图像。这种技术特别适合弱光条件下的图像捕捉。TDI传感器线数量越多，感光度就越高。

CCD可以合成电荷信号，CMOS TDI可以合成电压或者电荷信号。电荷信号的合成不会引入躁点，但CMOS的电压合成却会引入，所以基于电压信号的CMOS TDI传感器的线数量不能太多。TDI传感器要在成本和速度之间做出权衡。CCD TDI可以有很高的感光度，但因为本身设计原理，速度也会受限。CMOS速度可以更快，但基于电荷信号的CMOS TDI会很昂贵，也很难制造。所以大部分场景下CCD TDI可以胜任，也经济实惠。但适应极端条件（超高感光度）的传感器还是需要基于电荷信号的CMOS TDI。

紫外线传感器

用于紫外线检测的智能穿戴设备领域，紫外线传感器是非常重要的角色。

减薄处理是移动传感器发展的一种趋势，但紫外线传感器的应用却并非全都如此。

减薄处理主要针对传感器背面的衬底进行减薄。通常会通过物理研磨配合化学腐蚀的方法来实现。

许多背面衬底减薄的可见光传感器都有厚的氧化物层，该氧化物层在长时间暴露于紫外线后会褪色并吸收紫外线，从而影响传感器对紫外线的感应。另外，一些减薄的传感器都具有被硼层特殊处理过的成像表面，而硼层如果太深地延伸入硅晶体中，就会扰乱大部分紫外线感应后产生的电子信号。

由于设计工艺的限制，并不是每种传感器都可以既对紫外线敏感，又可以减薄，比如全局快门CCD就不行。虽然CMOS情况稍微好点，但也是有所取舍，比如要么使用滚动快门的CMOS，要么就忍受全局快门CMOS由于技术难题带来的的高噪声。

电子倍增传感器

还有一种主要应用于军事侦查的夜视成像技术：电子倍增图像传感器。

该领域中，电子倍增CCD（一种超高灵敏度传感器）在不需要很高的快门速度的科研条件下，综合技术成本优势，CCD比CMOS更好。

成本

以上讨论了CMOS和CCD的性能表现，但商业应用更重要的是考虑性价比。性价比其实很难比较，所以我们就从一些影响成本的关键点入手。

首先，流通量很关键。市面上常用的传感器相比流通量小的要便宜得多。如果要针对特定需求开发传感器，CCD的研发会比CMOS便宜很多。因此，即使某些情况下特制CMOS会比CCD表现好很多，性价比角度来说CCD可能依然好于CMOS。其次，应用量和很重要。即使CMOS初始研发成本很高，如果能被大量应用，那么单个传感器的制造成本可以被压下来。最后，就是长期供应稳定性。如果传感器停产导致产品断代，那会增加成本。因此尽量选择能保证长期稳定的研发，生产的大厂家。

结论

根据应用选择传感器本来就不简单，不同的应用有不同的需求，也要同时考虑传感器的表现和成本。显而易见，不会有普适的挑选准则。

对于大部分可见光线扫描和面扫描传感器，CMOS比CCD表现好，如果有近红外光的拍摄需求，那么CCD会更合适。对于普通TDI传感器，CCD也比CMOS表现好，而最极端条件下的TDI需要电荷信号CMOS才能胜任。对于紫外线传感器，表面处理技术是最重要的，不同类型的CMOS和CCD各有优劣。低噪点传感器方面CMOS通常比CCD好。成本控制角度来说则更多取决于市面流通量，应用投放量和长期供应稳定性。

参考文献：《CCD VS. CMOS  Which is better? It's complicated...》——TELEDYNE DALSA

文献翻译：朱海昊Paul

编辑：Mr.Burn