主要内容：本文讲述了CCD与CMOS芯片的发展历史，以及这些发展的驱动因素。

    大多数相机的图像传感芯片使用的是CCD（charge-coupled device电荷耦合器件），CID（charge-injection device 电荷注入器件），或CMOS（complementary metal oxide semiconductor互补金属氧化物半导体）芯片。这些芯片大都适用于可见光范围内，当然也有些厂家同时提供有高红外或紫外响应的芯片，从而使得相机能够工作在更宽的光谱范围内。

    大多数相机生产厂商认为机器视觉工业只使用行间转移CCD与CMOS芯片，但很多大公司的目标不仅是大量的一般机器视觉市场，他们还专注于小部分的潜在市场，如相机在天文学或航天上的应用。虽然很多文章都已阐述了CCD和CMOS芯片结构上的不同，但系统开发者更关心的是各类芯片在成像应用方面的独特之处。

    结构不同

    CCD芯片能够制成各种种类，各有价格或性能上的优劣势。最常见的种类包括全帧转移（full frame）、帧转移（frame transfer）与行间转移（interline transfer）。全帧转移结构中，所有硅片区都用于图像采集，因此有100%的填充因子。虽然它拥有高量子效率，但需要外加快门来减小在图像顺序读出时容易产生的拖影现象。
    
    前照式CCD光敏面在硅衬底的前端，用于反射与聚集光源，这种方式限制了可见光区的量子效率并降低紫外响应。为克服这些缺点，一些CCD和CMOS生产商致力于开发新的方法来提高全帧转移CCD的响应灵敏度。如柯达公司称，在设计KAF-1001芯片（1024 × 1024, 5-frames/s, 全帧转移）中使用“透明门极技术（transparent gate）”，使得芯片在可见光范围内的光谱响应度增加了50%。

    为了能够更进一步增加响应度，采用减薄背照明技术，即允许光源由后方进入硅衬底。这一方式能够消除吸收损耗并同时增加芯片的量子效率与光谱响应范围。以Fairchild Imaging公司生产的用于科研、航天与医疗等领域的芯片CCD 304（2k × 2k，全帧转移，像元尺寸15 µm，100%填充因子）为例，它将前照式与减薄背照式技术结合使用，使得此芯片在可见光范围内的量子效率提高了近一倍。（见图1）

    灵敏度增强

    虽然全帧转移芯片使用全部区域来采集光子，但系统内必须添加电子快门或光学快门，即提高了系统成本。并且当快门关闭时，相机无法采集图像。为了克服此问题，帧转移CCD应运而生。帧转移结构使用两组图像阵列组合，一组用来曝光，另一组用来隔离。随着光源在光敏区的逐渐减弱，电荷被转移到存储区，而后读出存储器将图像转移出芯片。

    e2v公司将此类技术用于CCD201芯片上（1024 × 1024，15 frames/s，100%填充因子）。为提高量子效率，芯片采用减薄背照明技术（back thinned），同时为适用于低照度的场合，CCD首先在积分时间段将光子在图像区转换为电荷，而后存储至读出寄存器，再将存储的电荷在增益寄存器中倍乘，最后通过输出放大器转换为电压信号。

    在机器视觉系统中，图像采集速度要求很高，因此常使用行间转移CCD。这一方式的电荷转移区与光敏区被集成到同一硅层中。芯片中每隔一条竖行都有一条图像存储器，单个像素只需从光敏区转移到纵向寄存器中即可，而后电荷逐行下移并读出。虽然这一方法会增加数据率，但由于数据寄存器占用了部分成像区域，芯片的填充因子和量子效率会减少（见图2）。

    行间转移CCD被各个芯片制造商广泛采用，以Sony ICX205AL芯片（1392 × 1024）为例，其允许图像数据在不同帧速下读出。在逐行扫描模式下，图像数据读出时间为1/7.5 s，此种工作模式可适用于高分辨率图像。为了增加数据率，就必须减少芯片的读出像素数，当读出时间为1/30 s时，垂直分辨率要减少到原来的1/4。

    CMOS芯片

    虽然多数应用于机器视觉的相机使用的是CCD芯片，但还是有一些厂家继续使用CMOS芯片，如Aptina Imaging公司。不同于CCD芯片的是，CMOS芯片是基于有源阵列（active-pixel arrays），即每一像素包含独立的成像单元和读出电路，因此其填充因子无法达到100%。虽然其工作特性劣于CCD芯片，但芯片的集成性与独立读出电路使得其成本很低并能够简化后端相机的设计。

    虽然生产商一直称低成本CCD芯片质量过硬，但到目前为止，CMOS芯片仍然需求量很大，而且成本仍然远远低于CCD芯片。芯片生产商对这两类产品的理解也在逐渐改变，如Dalsa公司称其生产的CMOS相机与CCD相机拥有相近的性能。如今，CCD与CMOS结构优劣之争也许已经结束，而另一场争夺市场的战争才刚刚开始。

    在很多如高速、低照度或需要ROI功能的应用场合中，CMOS相机拥有更强的市场竞争力。如在设计LW-WVGA-G-1394相机的过程中，Imaging Solutions集团使用Aptina Imaging公司的MT9V022CMOS芯片（752 × 480，像元尺寸6 × 6-µm），相机在ROI模式下能达到60 frames/s甚至更快，其芯片响应曲线还能够分段设置不同斜率（见图3）。

    低照度，高速

    很多公司在尝试推进其CMOS芯片的规范性，而其他公司正致力于开发更特殊的芯片来进一步扩大CMOS芯片低照度与高速的优势。其中一个最重要的发展就是“对数图像芯片（logarithmic image sensor）”，此芯片在低照度时为线性响应而在高亮度时变为对数响应。

    目前，Aptina Imaging公司、Cypress Semiconductor公司与Photonfocus公司都提供使用“对数响应”技术的芯片，从而使得相机能够达到接近120db的动态范围。芯片的这一特性对如激光扫面的应用领域特别具有吸引力，因为如在这些高亮度场合使用基于CCD芯片的相机时图像会直接达到饱和。

    随着此技术的发展，Photonfocus公司宣布已经研制出第三代CMOS芯片A1312（1312 × 1082，像元尺寸8-µm，4通道，最大帧速120 frames/s）。

    随着高速相机市场的竞争，Photonfocus公司正计划开发低成本基于CMOS 芯片的Camera Link接口相机。此类相机会继续有红外响应和Bayer颜色转换。明年，公司将推出有LinLog功能的相机，允许16个ROI区域选择并分别显示与处理。

    评估A1312样本芯片的性能中，新芯片的量子效率在大概700 nm处比CCD芯片提高了50%（见图4）。即使与Sony公司的行间转移CCD相比也存在着很大优势。

    为了进一步提高CMOS芯片的量子效率，Rutherford Appleton Laboratory的学者们正在研制CMOS有源图像传感器（APS，Active Pixel Sensors），这一技术是基于最早应用于CCD芯片上的背减薄与背照技术。在研制为航空科学研制4k × 3k芯片的过程中，研制人员发现在远紫外（EUV）波段下，硅的吸收能力非常弱，因为前照CMOS芯片在电子到达光电二极管之前就被氧化层吸收了。为了克服此问题，有源图像芯片的晶片样品会做得非常薄，从而在远紫外（EUV）波段下获得好的灵敏度。

    有趣的是，CMOS芯片灵敏度的提高工作比芯片片上编程能力的提高要慢了很多。在汽车领域，STMicroelectronics公司与Aptina公司最近提出两个基于视觉驾驶提醒装置的芯片制造目标。STMicroelectronics公司的VL5510芯片（1024 × 512，可变输出图像尺寸，帧速至34 frames/s）允许像素响应可根据不同特定的场合进行调整（有10个可调节拐点）。同时Aptina公司已经研制出MT9V126芯片，其拥有完整的板上集成系统可取代DSP和 FPGA的功能。

    为了能够满足各种成像要求，芯片制造商可提供各类可用于机器视觉应用的不同种类的芯片，从多通道面阵列到时间延迟积分（TDI） CCD和CMOS。将来，CCD与CMOS芯片在结构上会有更进一步的发展，会变得灵敏度更高，光谱响应范围更大，可能还会同时对红外, 可见光和紫外波段成像。

注：本篇文章由北京凌云光视数字图像技术有限公司提供，特表感谢！

（中国图像网报道）