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工业成像的CCD及CMOS技术之对比


电子成像技术的发展始于上世纪60年代,诺贝尔奖得主Boyle和Smith开发出第一个CCD。这些元件是利用掺杂矽的固有能力将光子转换成电子,并用得到的画素等级电荷来测量光强度而运作。在架构上,这个设计的最大优势是简单,整个画素区域可用来检测光子和存储电荷,提供最大讯号级别,支援高动态范围。

相同的画素区域用于将电荷传送到有限的输出端,其中电荷被转换为电压。随时间推移,这架构已细化到包括Interline Transfer CCD设计,其中包含画素等级的一个电子快门,无需相机设计中的机械快门。今天,CCD是采用订制的半导体制程,高度优化于成像应用,并需要外部电路将类比输出电压转换为数位讯号以用于后续处理。一般而言,CCD的典型特点是高效的电子快门能力、宽动态范围和出色的影像均匀性。

相比之下,CMOS影像感测器设计最初是利用为主流半导体元件的制造而开发的工艺,如用于逻辑晶片、微处理器和记忆体模组的工艺。这点形成巨大的优势,如数位处理功能可直接纳入晶片中,以增强影像感测器功能。CMOS影像感测器不像CCD将电荷传送到有限的输出端,而是把电晶体放置在每一画素内(或每组画素),来进行电荷、电压之间的转换。这么一来,电压(而不是电荷)可经由整个元件传输,使得影像读取变得更快、更灵活。此外,高端处理可直接结合至晶片,如果需要的话,影像感测器可输出完全处理的JPEG影像,甚至是H.264视讯流。

虽然CCD影像感测器历来提供比CMOS元件更好的成像性能,但近年来差距已大大缩小,CMOS影像感测器可提供的影像品质现在已胜任多种应用。这可从用于工业成像的最新一代CMOS元件看出,如安森美半导体的PYTHON CMOS影像感测器系列。

尽管最好的CCD可提供的一些成像参数可能仍然超越这一系列,但这些PYTHON元件的影像品质已适用于线上检测、交通监测/收费、运动分析等等。这使CMOS技术的其他性能优势更加显着,如更快的帧率、更低的功耗、感兴趣区域(ROI)的成像 。每一项性能对提升产量和支援这些应用都至关重要。

因为这些内在优势,有人预计CCD影像感测器最终将消亡,因为CMOS技术不断进步且最终将在所有面向使CCD性能黯然失色。但是,以后CCD和CMOS技术无疑将继续发展,CCD的基础架构表明某些区域将继续保持特定的性能优势,使CCD成为要求最高成像性能的工业应用的首选技术。

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