矩陣式CCD傳感器和CMOS傳感器的發(fā)展和應(yīng)用
傳感器是書(shū)刊掃描儀最核心的部件之一。掃描儀的圖像傳感器早年基本都使用線性CCD，早期的圖像采集設(shè)備大都使用了這種成像技術(shù)，比如復(fù)印機(jī)、平板掃描儀、饋紙式掃描儀、大幅面掃描儀等。如今隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展和圖像采集設(shè)備功能的細(xì)化，傳感器的使用也大有不同。CIS處理器最廉價(jià)，低端平板、入門(mén)級(jí)饋紙式掃描儀多使用以接觸式圖像傳感器CIS(或LIDE);相對(duì)價(jià)格較低的線性CCD或CMOS傳感器多應(yīng)用在低端書(shū)刊掃描儀、入門(mén)級(jí)非接觸式掃描儀、大幅面掃描儀、復(fù)印機(jī)等產(chǎn)品上;價(jià)格較高的航天級(jí)矩陣CCD傳感器多應(yīng)用在航天領(lǐng)域、仿真復(fù)制領(lǐng)域、頂級(jí)書(shū)刊掃描儀、非接觸式案卷掃描儀等專業(yè)領(lǐng)域。關(guān)于矩陣CCD和CMOS、線性CCD、CIS誰(shuí)好誰(shuí)差的問(wèn)題，壇子里有許多爭(zhēng)論。對(duì)于廣大用戶來(lái)說(shuō)，這是件好事。
首先，圖像傳感器的功能就是把光能轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，數(shù)字化后形成數(shù)字圖像。不管是以矩陣式CCD技術(shù)還是線性CCD、CMOS、CIS成像技術(shù)實(shí)現(xiàn)，都是完成這個(gè)功能。 因?yàn)閏is成像技術(shù)多應(yīng)用在低端圖像采集設(shè)備上，在這里我們就不多做介紹了。以下我們主要對(duì)書(shū)刊掃描儀上多應(yīng)用的矩陣式CCD技術(shù)還是線性CCD、CMOS做一下對(duì)比介紹。
CCD和CMOS這兩個(gè)專業(yè)術(shù)語(yǔ)，并不是專指圖像傳感器(image sensor)的，而是兩種半導(dǎo)體技術(shù)的通稱。CCD(Charge Coupled Device)翻譯成“電荷耦合器件”，CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)翻譯成“互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體”。不管是CCD還是CMOS，實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的多是利用硅的特性在半導(dǎo)體上形成“光電二極管”(photodiode)。(當(dāng)然也有CCD使用多晶硅polysilicon)。這和太陽(yáng)能電池的原理是一樣的。
CCD和CMOS技術(shù)大概都在60年代末、70年代初成型。發(fā)明CCD的初衷是為了進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。但是這一功能為后來(lái)的CMOS和磁介質(zhì)所完全取代了。可是CCD并沒(méi)有死亡，而是在影像記錄方面大放異彩。從70年代開(kāi)始，CCD就使用在錄像機(jī)等產(chǎn)品中。80年代，CCD又開(kāi)始被最早的數(shù)碼相機(jī)所使用。而CCD傳感器的許多影響畫(huà)質(zhì)的缺點(diǎn)也被逐一克服。90年代CCD被使用在圖像掃描領(lǐng)域，30年來(lái)，CCD圖像傳感器已經(jīng)完全成熟。
那我們先從CCD技術(shù)上來(lái)說(shuō)起，CCD是由感光陣列將光能信號(hào)轉(zhuǎn)化為電荷，然后一行一行地將電荷“移送”到統(tǒng)一的電路上，轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，送出傳感器芯片，輸出到獨(dú)立的模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC上。ADC再將轉(zhuǎn)換好的數(shù)字圖像信號(hào)交給相機(jī)的圖像處理器。
CCD書(shū)刊掃描儀的優(yōu)點(diǎn)主要是：傳感器設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、靈敏度高、畫(huà)質(zhì)優(yōu)秀、技術(shù)成熟。
但是CCD技術(shù)不是沒(méi)有缺點(diǎn)的。大致總結(jié)來(lái)說(shuō)，有這么幾個(gè)問(wèn)題：
1)最大的問(wèn)題是生產(chǎn)成本。由于線性CCD不能使用主流的CMOS生產(chǎn)線，而生產(chǎn)量又不是那么大，因此生產(chǎn)成本無(wú)法大規(guī)模地降下來(lái)。目前這個(gè)問(wèn)題還是難以解決。
2)線性CCD傳感器需要另外配合的ADC、放大器、以及其他支持模塊才能使用。這樣一來(lái)，一是增加了開(kāi)發(fā)和制造成本;二是芯片外過(guò)多的模擬電路會(huì)引進(jìn)噪聲，進(jìn)而影響圖像質(zhì)量;。
3)讀取速度。由于所有的電荷都要通過(guò)統(tǒng)一的電路轉(zhuǎn)換并輸出，因此線性CCD傳感器的讀取速度比較慢。當(dāng)然新一代的矩陣式CCD在這方面有改善。
4)線性CCD電荷衰減(fading)問(wèn)題。由于線性CCD中獲取的電荷是以耦合移位(這也是CCD這名字的來(lái)源)的方式一行一行輸出的，因此在輸出過(guò)程中，電荷會(huì)衰減。進(jìn)而造成圖像噪聲。
5)耐用性差，傳統(tǒng)線性CCD逐條掃描的方式對(duì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的耐用性有很大的要求。
6)線性CCD對(duì)光源依賴比較大，在掃描儀的應(yīng)用上需要配合高強(qiáng)度線條燈光使用。
這些大概就是CCD的弱點(diǎn)。雖然廠商以各種方式克服，但是問(wèn)題長(zhǎng)時(shí)間并沒(méi)有完全解決。直到矩陣式CCD技術(shù)的出現(xiàn)，才徹底解決的了線性CCD的不足。
再來(lái)看看CMOS技術(shù)。今天的電腦技術(shù)之所以這么發(fā)展，歸根到底，是因?yàn)榘雽?dǎo)體技術(shù)，特別是CMOS技術(shù)的進(jìn)步造成的。我們用的CPU、內(nèi)存、閃存還有其他許多器件，都是CMOS技術(shù)的。簡(jiǎn)單地說(shuō)，CMOS的優(yōu)點(diǎn)就是集成度高，生產(chǎn)成本低，省電。
表面上看，CMOS傳感器和CCD傳感器的構(gòu)造很類(lèi)似。感光陣列將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，然后通過(guò)CMOS電路輸出。然而，有幾個(gè)很大的不同：
1)CMOS在感光陣列的每個(gè)感光點(diǎn)上，都配置一個(gè)信號(hào)放大器和其他支持電路。這樣做的好處是提高信號(hào)的抗干擾能力，壞處有兩個(gè)：一是會(huì)形成“固定模式噪聲”(Fixed Pattern Noise，F(xiàn)PN。待會(huì)兒還會(huì)談到);二是這些放大器和支持電路會(huì)占用光能接收面積，降低傳感器的接收靈敏度。
2)現(xiàn)代的CMOS傳感器將模數(shù)轉(zhuǎn)換電路ADC和其他支持電路就集成在芯片內(nèi)。降低了系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)難度和制造成本，提高了可靠性。
3)CMOS使用單電源，單參考電壓。降低了耗電，提高了系統(tǒng)的可靠性，減少了外圍電路所產(chǎn)生的噪聲干擾。
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，CMOS傳感器有效地解決或者改善了上面提到的CCD的缺點(diǎn)。當(dāng)然其中最重要的，就是大大降低了生產(chǎn)成本。
那么，CMOS的缺點(diǎn)是什么?
CMOS有兩個(gè)最大的缺點(diǎn)需要克服：
1)固定模式噪聲FPN。前面說(shuō)了，CMOS傳感器中，每個(gè)感光點(diǎn)都有一個(gè)信號(hào)放大器和其他支持電路。但是在半導(dǎo)體的生產(chǎn)過(guò)程中，形成的各個(gè)放大器的增益和帶寬都有差別，因此同樣亮度的兩個(gè)像點(diǎn)，最后形成的數(shù)值會(huì)有差別。從整幅圖片來(lái)說(shuō)，就會(huì)有一個(gè)“固定的噪聲圖片”。比如一幅18%灰度的圖片，最后出來(lái)的亮度各處并不相同。
但是既然噪聲的模式是“固定”的，就有辦法解決。最有效的辦法是所謂“雙采樣”(double sampling)。也就是在相機(jī)快門(mén)關(guān)閉后，先用10毫秒將圖像讀出，然后將傳感器復(fù)位后，再用10毫秒第二次采樣，得到一幅噪聲圖案。將原圖像減去噪聲圖像，就可以有效消除固定模式噪聲了。這種方式對(duì)于消除相機(jī)的固定模式噪聲特別有效。當(dāng)然如果是攝像機(jī)，那就要復(fù)雜一些了。
2)CMOS傳感器的第二個(gè)大問(wèn)題，是靈敏度不如CCD傳感器。對(duì)于CCD來(lái)說(shuō)，整個(gè)傳感器的面積都可以用來(lái)接收光信號(hào)。受光率(fill factor)可以接近100%。但是對(duì)于CMOS傳感器來(lái)說(shuō)，由于感光陣列的每個(gè)像點(diǎn)上，都要留出一部分面積來(lái)做信號(hào)放大器和支持電路，所以光電二極管不能做大。受光率(好像無(wú)忌上常用“開(kāi)口率”這個(gè)詞匯)要大大小于100%。幾年前，CMOS的受光率慘到只有20%多。這樣，就會(huì)大大降低傳感器的靈敏度。
3)CMOS傳感器在掃描設(shè)備上的應(yīng)用不夠成熟，相關(guān)附件和圖像處理不夠完善。
解決CMOS傳感器天生靈敏度低的辦法有兩個(gè)：第一是隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，CMOS的線寬越來(lái)越小，在同樣面積上能做的電路也越來(lái)越多。或者說(shuō)，同樣的電路，需要的面積越來(lái)越小。這樣留給感光電路的面積也就越來(lái)越大，比例越來(lái)越高。隨著CMOS技術(shù)的快速發(fā)展，受光率還會(huì)進(jìn)一步提高;第二就是采用“微透鏡”(Micro Lens)，將一個(gè)像點(diǎn)上的光能都聚合到光敏二極管“開(kāi)口”的位置。
通過(guò)上面的介紹我們看到CCD技術(shù)已經(jīng)完全成熟，CMOS技術(shù)還在進(jìn)步中。但就圖像質(zhì)量而言，今天兩者已經(jīng)不相上下。即使有些區(qū)別，和后端的圖像處理器相比，也是微不足道了。
CCD傳感器經(jīng)過(guò)30多年的發(fā)展，技術(shù)已經(jīng)成熟。但是仍有三大問(wèn)題需要解決：生產(chǎn)成本高、系統(tǒng)集成度差、耗電。
CMOS傳感器可以解決CCD傳感器的這三大問(wèn)題。但是自己也有兩大新問(wèn)題：固定模式噪聲、低靈敏度。其中固定模式噪聲目前已有技術(shù)基本解決。而靈敏度的問(wèn)題正在改善，還會(huì)繼續(xù)改善。目前全球CMOS傳感器每年的需求量是大約90億芯片(2016年)，隨著市場(chǎng)需求的進(jìn)一步擴(kuò)大，推動(dòng)了CMOS傳感器技術(shù)的快速發(fā)展。相信在不遠(yuǎn)的未來(lái)CMOS傳感器代替CCD傳感器是必然趨勢(shì)。目前以索尼為代表的CCD處理器制造龍頭企業(yè)，也在2015年宣布將在2017年正式停止線性CCD產(chǎn)品的研發(fā)生產(chǎn)，全面投向新一代矩陣式CCD和CMOS傳感器的研發(fā)和生產(chǎn)。
