矩陣式CCD傳感器和CMOS傳感器的發展和應用
傳感器是書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，早期的圖像采集設備大都使用了這種成像技術，比如復印機、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的發展和圖像采集設備功能的細化，傳感器的使用也大有不同。CIS處理器最廉價，低端平板、入門級饋紙式掃描儀多使用以接觸式圖像傳感器CIS(或LIDE);相對價格較低的線性CCD或CMOS傳感器多應用在低端書刊掃描儀、入門級非接觸式掃描儀、大幅面掃描儀、復印機等產品上;價格較高的航天級矩陣CCD傳感器多應用在航天領域、仿真復制領域、頂級書刊掃描儀、非接觸式案卷掃描儀等專業領域。關于矩陣CCD和CMOS、線性CCD、CIS誰好誰差的問題，壇子里有許多爭論。對于廣大用戶來說，這是件好事。
首先，圖像傳感器的功能就是把光能轉換成電信號，數字化后形成數字圖像。不管是以矩陣式CCD技術還是線性CCD、CMOS、CIS成像技術實現，都是完成這個功能。 因為cis成像技術多應用在低端圖像采集設備上，在這里我們就不多做介紹了。以下我們主要對書刊掃描儀上多應用的矩陣式CCD技術還是線性CCD、CMOS做一下對比介紹。
CCD和CMOS這兩個專業術語，并不是專指圖像傳感器(image sensor)的，而是兩種半導體技術的通稱。CCD(Charge Coupled Device)翻譯成“電荷耦合器件”，CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)翻譯成“互補金屬氧化物半導體”。不管是CCD還是CMOS，實現光電轉換的多是利用硅的特性在半導體上形成“光電二極管”(photodiode)。(當然也有CCD使用多晶硅polysilicon)。這和太陽能電池的原理是一樣的。
CCD和CMOS技術大概都在60年代末、70年代初成型。發明CCD的初衷是為了進行數據存儲。但是這一功能為后來的CMOS和磁介質所完全取代了?？墒荂CD并沒有死亡，而是在影像記錄方面大放異彩。從70年代開始，CCD就使用在錄像機等產品中。80年代，CCD又開始被最早的數碼相機所使用。而CCD傳感器的許多影響畫質的缺點也被逐一克服。90年代CCD被使用在圖像掃描領域，30年來，CCD圖像傳感器已經完全成熟。
那我們先從CCD技術上來說起，CCD是由感光陣列將光能信號轉化為電荷，然后一行一行地將電荷“移送”到統一的電路上，轉換為電壓信號，送出傳感器芯片，輸出到獨立的模數轉換器ADC上。ADC再將轉換好的數字圖像信號交給相機的圖像處理器。
CCD書刊掃描儀的優點主要是：傳感器設計簡單、靈敏度高、畫質優秀、技術成熟。
但是CCD技術不是沒有缺點的。大致總結來說，有這么幾個問題：
1)最大的問題是生產成本。由于線性CCD不能使用主流的CMOS生產線，而生產量又不是那么大，因此生產成本無法大規模地降下來。目前這個問題還是難以解決。
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，一是增加了開發和制造成本;二是芯片外過多的模擬電路會引進噪聲，進而影響圖像質量;。
3)讀取速度。由于所有的電荷都要通過統一的電路轉換并輸出，因此線性CCD傳感器的讀取速度比較慢。當然新一代的矩陣式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這名字的來源)的方式一行一行輸出的，因此在輸出過程中，電荷會衰減。進而造成圖像噪聲。
5)耐用性差，傳統線性CCD逐條掃描的方式對傳動機構的耐用性有很大的要求。
6)線性CCD對光源依賴比較大，在掃描儀的應用上需要配合高強度線條燈光使用。
這些大概就是CCD的弱點。雖然廠商以各種方式克服，但是問題長時間并沒有完全解決。直到矩陣式CCD技術的出現，才徹底解決的了線性CCD的不足。
再來看看CMOS技術。今天的電腦技術之所以這么發展，歸根到底，是因為半導體技術，特別是CMOS技術的進步造成的。我們用的CPU、內存、閃存還有其他許多器件，都是CMOS技術的。簡單地說，CMOS的優點就是集成度高，生產成本低，省電。
表面上看，CMOS傳感器和CCD傳感器的構造很類似。感光陣列將光信號轉換成電信號，然后通過CMOS電路輸出。然而，有幾個很大的不同：
1)CMOS在感光陣列的每個感光點上，都配置一個信號放大器和其他支持電路。這樣做的好處是提高信號的抗干擾能力，壞處有兩個：一是會形成“固定模式噪聲”(Fixed Pattern Noise，FPN。待會兒還會談到);二是這些放大器和支持電路會占用光能接收面積，降低傳感器的接收靈敏度。
2)現代的CMOS傳感器將模數轉換電路ADC和其他支持電路就集成在芯片內。降低了系統的開發難度和制造成本，提高了可靠性。
3)CMOS使用單電源，單參考電壓。降低了耗電，提高了系統的可靠性，減少了外圍電路所產生的噪聲干擾。
簡單來說，CMOS傳感器有效地解決或者改善了上面提到的CCD的缺點。當然其中最重要的，就是大大降低了生產成本。
那么，CMOS的缺點是什么?
CMOS有兩個最大的缺點需要克服：
1)固定模式噪聲FPN。前面說了，CMOS傳感器中，每個感光點都有一個信號放大器和其他支持電路。但是在半導體的生產過程中，形成的各個放大器的增益和帶寬都有差別，因此同樣亮度的兩個像點，最后形成的數值會有差別。從整幅圖片來說，就會有一個“固定的噪聲圖片”。比如一幅18%灰度的圖片，最后出來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)。也就是在相機快門關閉后，先用10毫秒將圖像讀出，然后將傳感器復位后，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。這種方式對于消除相機的固定模式噪聲特別有效。當然如果是攝像機，那就要復雜一些了。
2)CMOS傳感器的第二個大問題，是靈敏度不如CCD傳感器。對于CCD來說，整個傳感器的面積都可以用來接收光信號。受光率(fill factor)可以接近100%。但是對于CMOS傳感器來說，由于感光陣列的每個像點上，都要留出一部分面積來做信號放大器和支持電路，所以光電二極管不能做大。受光率(好像無忌上常用“開口率”這個詞匯)要大大小于100%。幾年前，CMOS的受光率慘到只有20%多。這樣，就會大大降低傳感器的靈敏度。
3)CMOS傳感器在掃描設備上的應用不夠成熟，相關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：第一是隨著半導體技術的發展，CMOS的線寬越來越小，在同樣面積上能做的電路也越來越多?；蛘哒f，同樣的電路，需要的面積越來越小。這樣留給感光電路的面積也就越來越大，比例越來越高。隨著CMOS技術的快速發展，受光率還會進一步提高;第二就是采用“微透鏡”(Micro Lens)，將一個像點上的光能都聚合到光敏二極管“開口”的位置。
通過上面的介紹我們看到CCD技術已經完全成熟，CMOS技術還在進步中。但就圖像質量而言，今天兩者已經不相上下。即使有些區別，和后端的圖像處理器相比，也是微不足道了。
CCD傳感器經過30多年的發展，技術已經成熟。但是仍有三大問題需要解決：生產成本高、系統集成度差、耗電。
CMOS傳感器可以解決CCD傳感器的這三大問題。但是自己也有兩大新問題：固定模式噪聲、低靈敏度。其中固定模式噪聲目前已有技術基本解決。而靈敏度的問題正在改善，還會繼續改善。目前全球CMOS傳感器每年的需求量是大約90億芯片(2016年)，隨著市場需求的進一步擴大，推動了CMOS傳感器技術的快速發展。相信在不遠的未來CMOS傳感器代替CCD傳感器是必然趨勢。目前以索尼為代表的CCD處理器制造龍頭企業，也在2015年宣布將在2017年正式停止線性CCD產品的研發生產，全面投向新一代矩陣式CCD和CMOS傳感器的研發和生產。
