早于上世紀(jì)九十年代初，有意見(jiàn)認(rèn)為電荷耦合器件(Charge Coupled Device，CCD) 日漸式微，最終將成為“科技恐龍”。如果用索尼公司(Sony) 2015年的發(fā)布來(lái)看待，這個(gè)預(yù)言好像也有點(diǎn)道理：當(dāng)時(shí)索尼公司正式發(fā)布終止量產(chǎn)CCD 時(shí)間表，并開(kāi)始接收最后訂單。雖然多年前業(yè)界已預(yù)計(jì)這是遲早出現(xiàn)的舉措，但是索尼這一發(fā)布仍然震驚了專(zhuān)業(yè)成像社群[2]。值得一提的是很多工業(yè)或?qū)I(yè)應(yīng)用(就是CMOS 圖像傳感器 (CIS) 的重點(diǎn)市場(chǎng))到現(xiàn)在仍然基于CCD傳感器技術(shù)。

到底CCD有什么特點(diǎn)優(yōu)于CIS，使其更具吸引力呢？在發(fā)展初期，CCD和CIS兩種技術(shù)是共存的；后來(lái)CCD被視為能夠滿(mǎn)足嚴(yán)格圖像質(zhì)量要求的高階技術(shù)，而同時(shí)期的CMOS技術(shù)仍然未成熟并受制于其固有噪聲和像素復(fù)雜性等問(wèn)題。在這一時(shí)期，圖像技術(shù)仍然以模擬結(jié)構(gòu)為主，而集成圖像處理功能(系統(tǒng)級(jí)芯片SOC) 這一意念還沒(méi)有被認(rèn)真考量。基于摩爾定律，技術(shù)節(jié)點(diǎn)的縮小使得SOC技術(shù)從2000年起快速擴(kuò)展并更具競(jìng)爭(zhēng)力?，F(xiàn)在CIS繼續(xù)致力改進(jìn)光電性能，在很多方面都顯得比CCD優(yōu)勝。如果利用文首提到的“進(jìn)化論”譬喻，其實(shí)可以把CIS視作抵過(guò)多次自然災(zāi)害仍然存活的哺乳類(lèi)動(dòng)物，而這個(gè)進(jìn)化歷史更是跨越6500萬(wàn)年的史詩(shī)式故事！

CCD的工作原理是將光子信號(hào)轉(zhuǎn)換成電子包并順序傳送到一個(gè)共同輸出結(jié)構(gòu)，然后把電荷轉(zhuǎn)換成電壓。接著這些信號(hào)會(huì)送到緩沖器并存儲(chǔ)到芯片外。在CCD應(yīng)用中，大部分功能都是在相機(jī)的電路板上進(jìn)行的。當(dāng)應(yīng)用需要修改時(shí)，設(shè)計(jì)人員可以改動(dòng)電路而無(wú)需重新設(shè)計(jì)圖像芯片。在CMOS圖像傳感器中，電荷轉(zhuǎn)換成電壓的工作是在每一像素上進(jìn)行。CMOS圖像芯片在像素級(jí)把電荷轉(zhuǎn)換成電壓，而大部分的功能則集成進(jìn)芯片。這樣所有功能可通過(guò)單一電源工作，并能夠?qū)崿F(xiàn)依照感興趣區(qū)域或是開(kāi)窗靈活讀出圖像。

一般來(lái)說(shuō)，CCD採(cǎi)用NMOS技術(shù)，因而能夠通過(guò)如雙層多晶硅、 抗暈(antiblooming)、金屬屏蔽和特定起始物料互相覆蓋等特定工藝實(shí)現(xiàn)性能。而CMOS是基于用于數(shù)字集成電路的標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝技術(shù)生產(chǎn)，再根據(jù)客戶(hù)要求加入成像功能(如嵌入式光電二極管) 。

一般的見(jiàn)解是CMOS傳感器的生產(chǎn)成本比CCD低，因而它的效能也較CCD低。這個(gè)假設(shè)是基于市場(chǎng)需求的考量而出的，但是其它專(zhuān)業(yè)市場(chǎng)的意見(jiàn)卻認(rèn)為兩者的技術(shù)水平相若，而CCD甚至可能更經(jīng)濟(jì)[3]。例如大型主要的航天計(jì)劃仍然採(cǎi)用CCD元件，原因不單是CCD在小批量和低成本的考量下在工藝級(jí)實(shí)現(xiàn)性能優(yōu)化，還有是長(zhǎng)期穩(wěn)定供貨的需求考量。同樣地，基于高端CCD的解決方案在科學(xué)成像市場(chǎng)也有主流占有率，而且還有一些新產(chǎn)品在開(kāi)發(fā)階段。情況就是恐龍進(jìn)化成飛鳥(niǎo)，而它們大部分都能夠提供優(yōu)秀的成像功能……

CMOS的擁有經(jīng)改進(jìn)的系統(tǒng)復(fù)雜性，因?yàn)樗旧鲜乔度肓巳缒?shù)轉(zhuǎn)換、相關(guān)雙采樣(CDS)、時(shí)鐘生成、穩(wěn)壓器等系統(tǒng)級(jí)芯片(System-On-Chip，SOC)結(jié)構(gòu)，或是影像后處理等功能，而這些以前都是應(yīng)用系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)才有的功能。現(xiàn)在的CIS通常是依照從180 nm到近期65 nm的1P4M (1層聚酯，4層金屬) 工藝生產(chǎn)，允許像素設(shè)計(jì)加入非常高的轉(zhuǎn)換因子，便于結(jié)合列增益放大。這使得CMOS的光反饋和光敏感度一般都比CCD為佳。相較于CMOS，CCD芯片的襯底偏壓穩(wěn)定性更好且芯片上的電路更少，所以擁有更顯著的低噪優(yōu)勢(shì)，甚至達(dá)到無(wú)固定模式噪聲的水平。

另一方面，CIS有較低采樣頻率，可以減小像素讀出所需要的帶寬，因而瞬時(shí)噪聲也較小?？扉T(mén)會(huì)同時(shí)對(duì)陣列上的所有像素進(jìn)行曝光。但是CMOS傳感器采用這一方法的話，由于每像素需要額外的晶體管，反而占用更多像素空間。

另外，CMOS每一像素?fù)碛幸粋€(gè)開(kāi)環(huán)輸出放大器，而因晶圓工藝的差異，每一放大器的補(bǔ)償和增益會(huì)有所變化，使高或暗的不均勻狀況都比CCD傳感器差。相對(duì)于同級(jí)的CCD傳感器，CMOS傳感器擁有較低的功耗，而芯片上其它電路的功耗也比CCD經(jīng)優(yōu)化模擬系統(tǒng)芯片匹配的解決方案來(lái)得低。取決于供貨量并考慮到CCD導(dǎo)入外部相關(guān)電路功能的成本，CMOS的系統(tǒng)成本也有可能低于CCD。表一總結(jié)了CCD和CMOS的特點(diǎn)，有些功能有利于一種或其他技術(shù)，所以毋需完全分割整體性能或成本。不過(guò)，CMOS的真正優(yōu)勢(shì)是通過(guò)系統(tǒng)級(jí)芯片(system-on-chip)方式實(shí)現(xiàn)導(dǎo)入靈活性，以及其低功耗特點(diǎn)。