第十九屆安博會將於10月28至30日在深圳召開。在六號館國際館當中,我們將見到非常多的供應鏈上遊廠商,其中不乏許多鏡頭和感光元件廠商的身影。
視頻監控系統的核心技術部件是光學成像器件,而光學成像器件主要包括鏡頭及感光器件,目前感光器件主要是CCD和CMOS兩種。
CCD傳感器
CMOS傳感器
CCD(電荷耦合器件)和CMOS(互補金屬氧化物半導體)圖像傳感器是用於獲取數字圖像的兩種不同器件。兩者都有獨特的優點和缺點,在不同的應用中具有各自的優勢。關於CMOS相對於CCD的相對優勢,已有許多討論。辯論一直持續了很久,只是並沒有明確的結論。這並不奇怪,因為問題不是一成不變的。技術和市場在發展,不僅影響技術上可行的東西,而且影響商業上可行的東西。成像器件的應用是多種多樣的,同時需求也在不斷變化。首先,CCD和CMOS成像均依靠光電效應從光產生電信號,兩種類型的成像元件原理都是將光轉換成電荷並將其處理成電子信號。在CCD傳感器中,每個像素的電荷都通過數量非常有限的輸出節點(通常只有一個)傳輸,然後轉換為電壓,進行緩衝並作為模擬信號在晶片外發送。所有像素均可用於光捕獲,並且輸出的均勻性(圖像質量的關鍵因素)很高。在CMOS傳感器中,每個像素都有其自己的電荷到電壓的轉換,並且該傳感器通常還包括放大器,噪聲校正和數位化電路,以便晶片輸出數位訊號。這些其他功能(較CCD而言)增加了設計複雜度,並減少了可用於捕獲光的面積。每個像素進行轉換時,均勻度會降低。CCD和CMOS成像器都是在1960年代末和1970年代發明的。CCD在一開始佔主導地位,主要是因為它們可以利用已有的製造技術提供出色的圖像。CMOS圖像傳感器需要更高的一致性和更小製造工藝,而當時的晶圓代工廠無法提供。直到1990年代,光刻技術才發展到讓設計者可以考慮CMOS的地步。對CMOS的重新關注是基於對降低功耗,增加集成度以及通過復用主流邏輯和存儲器件降低製造成本等方面的考量。在投入了大量的時間、金錢和工藝改進後,CMOS在實際生產中滿足了上述期望,從而成為了成熟的主流技術。在兩者共存的情況下,某些應用使用CMOS可以獲得更好的效果,而某些情況最好使用CCD。通過比較不同的情況,我們可以理解其中的技術折衷以及一些成本的考量。憑藉更低的功耗和更高的集成度,更小的組件,CMOS成功在手機成像方面獲得青睞——這是世界上體量最大的圖像傳感器應用。為了開發和微調CMOS成像器及其製造工藝,半導體產業的上遊企業投入了大量資金,隨著像素尺寸縮小,圖像質量有了極大提高。因此,在消費電子領域和視頻監控領域,基於幾乎所有性能參數,CMOS成像的性能均優於CCD。在機器視覺中,得益於巨大的手機成像獲得投資後帶來的發展,於大多數機器視覺領域的面掃描和線掃描器件,CCD也是過去的技術了。對於機器視覺,關鍵參數是速度和噪聲。CMOS和CCD成像的區別在於,信號從電荷轉換為模擬信號,最後轉換為數位訊號的方式不同。在CMOS中,數據路徑的前端高度並行。這允許每個放大器具有低帶寬。相反,高速CCD具有一定量的並行的輸出通道,但不如高速CMOS那樣擁有大量並行模擬前端,可以進行大規模並行處理。但是,也存在例外情況。CCD在哪些情況下優於CMOS的表現呢?要在近紅外光(700至1000nm波長)中成像,成像器需要具有較厚的光子吸收區域。這是因為紅外光子比矽中可見光子的吸收區位置要深。大多數CMOS成像器製造工藝都針對僅在可見光中成像進行了調整。所以這些成像器對近紅外(NIR)不太敏感。如要增加基板厚度,改變摻雜水平,則會影響CMOS模擬和數字電路的工作。CCD製造可以保證有較厚的基板厚度的同時,保留其正常的工作能力。所以,專門設計為在近紅外光中成像的CCD比CMOS敏感得多。時延和積分(TDI)成像。通常用於機器視覺和遙感中,其操作與線掃描成像器非常相似,當被攝對象的圖像進行逐行掃描時,每行都會捕獲對象的快照。當信號非常微弱時,TDI最為有用,因為被攝對象的多個快照被加在一起,可以創建更強的信號。當前,CCD和CMOS TDI對多個快照的疊加合併方式不同。CCD合併信號電荷,而CMOS TDI合併電壓信號。求和運算在CCD中無噪聲,但在CMOS中則不然。當CMOS TDI的行數超過一定數目時,來自求和操作的噪聲疊加,以至於最先進的CMOS TDI也無法比普通CCD TDI獲得更少的噪聲。電子倍增CCD(EMCCD)是一種CCD器件,其結構可以限制信號在倍增過程中增加的噪聲。這將導致淨信噪比(SNR)增益,所以在信號微弱的應用中,EMCCD可以檢測到幾於科學成像。因此EMCCD可用於超低信號應用,通常用於科學成像。而實際情況中,對於許多業務決策而言,除去針對具體情況進行基於技術和性能的權衡,更多的是考慮所付出的價格所獲得的績效如何。