矩阵式CCD传感器和CMOS传感器的发展和应用
传感器是书刊扫描仪最核心的部件之一。扫描仪的图像传感器早年基本都使用线性CCD，早期的图像采集设备大都使用了这种成像技术，比如复印机、平板扫描仪、馈纸式扫描仪、大幅面扫描仪等。如今随着传感器技术的发展和图像采集设备功能的细化，传感器的使用也大有不同。CIS处理器最廉价，低端平板、入门级馈纸式扫描仪多使用以接触式图像传感器CIS(或LIDE);相对价格较低的线性CCD或CMOS传感器多应用在低端书刊扫描仪、入门级非接触式扫描仪、大幅面扫描仪、复印机等产品上;价格较高的航天级矩阵CCD传感器多应用在航天领域、仿真复制领域、顶级书刊扫描仪、非接触式案卷扫描仪等专业领域。关于矩阵CCD和CMOS、线性CCD、CIS谁好谁差的问题，坛子里有许多争论。对于广大用户来说，这是件好事。
首先，图像传感器的功能就是把光能转换成电信号，数字化后形成数字图像。不管是以矩阵式CCD技术还是线性CCD、CMOS、CIS成像技术实现，都是完成这个功能。 因为cis成像技术多应用在低端图像采集设备上，在这里我们就不多做介绍了。以下我们主要对书刊扫描仪上多应用的矩阵式CCD技术还是线性CCD、CMOS做一下对比介绍。
CCD和CMOS这两个专业术语，并不是专指图像传感器(image sensor)的，而是两种半导体技术的通称。CCD(Charge Coupled Device)翻译成“电荷耦合器件”，CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)翻译成“互补金属氧化物半导体”。不管是CCD还是CMOS，实现光电转换的多是利用硅的特性在半导体上形成“光电二极管”(photodiode)。(当然也有CCD使用多晶硅polysilicon)。这和太阳能电池的原理是一样的。
CCD和CMOS技术大概都在60年代末、70年代初成型。发明CCD的初衷是为了进行数据存储。但是这一功能为后来的CMOS和磁介质所完全取代了。可是CCD并没有死亡，而是在影像记录方面大放异彩。从70年代开始，CCD就使用在录像机等产品中。80年代，CCD又开始被最早的数码相机所使用。而CCD传感器的许多影响画质的缺点也被逐一克服。90年代CCD被使用在图像扫描领域，30年来，CCD图像传感器已经完全成熟。
那我们先从CCD技术上来说起，CCD是由感光阵列将光能信号转化为电荷，然后一行一行地将电荷“移送”到统一的电路上，转换为电压信号，送出传感器芯片，输出到独立的模数转换器ADC上。ADC再将转换好的数字图像信号交给相机的图像处理器。
CCD书刊扫描仪的优点主要是：传感器设计简单、灵敏度高、画质优秀、技术成熟。
但是CCD技术不是没有缺点的。大致总结来说，有这么几个问题：
1)最大的问题是生产成本。由于线性CCD不能使用主流的CMOS生产线，而生产量又不是那么大，因此生产成本无法大规模地降下来。目前这个问题还是难以解决。
2)线性CCD传感器需要另外配合的ADC、放大器、以及其他支持模块才能使用。这样一来，一是增加了开发和制造成本;二是芯片外过多的模拟电路会引进噪声，进而影响图像质量;。
3)读取速度。由于所有的电荷都要通过统一的电路转换并输出，因此线性CCD传感器的读取速度比较慢。当然新一代的矩阵式CCD在这方面有改善。
4)线性CCD电荷衰减(fading)问题。由于线性CCD中获取的电荷是以耦合移位(这也是CCD这名字的来源)的方式一行一行输出的，因此在输出过程中，电荷会衰减。进而造成图像噪声。
5)耐用性差，传统线性CCD逐条扫描的方式对传动机构的耐用性有很大的要求。
6)线性CCD对光源依赖比较大，在扫描仪的应用上需要配合高强度线条灯光使用。
这些大概就是CCD的弱点。虽然厂商以各种方式克服，但是问题长时间并没有完全解决。直到矩阵式CCD技术的出现，才彻底解决的了线性CCD的不足。
再来看看CMOS技术。今天的电脑技术之所以这么发展，归根到底，是因为半导体技术，特别是CMOS技术的进步造成的。我们用的CPU、内存、闪存还有其他许多器件，都是CMOS技术的。简单地说，CMOS的优点就是集成度高，生产成本低，省电。
表面上看，CMOS传感器和CCD传感器的构造很类似。感光阵列将光信号转换成电信号，然后通过CMOS电路输出。然而，有几个很大的不同：
1)CMOS在感光阵列的每个感光点上，都配置一个信号放大器和其他支持电路。这样做的好处是提高信号的抗干扰能力，坏处有两个：一是会形成“固定模式噪声”(Fixed Pattern Noise，FPN。待会儿还会谈到);二是这些放大器和支持电路会占用光能接收面积，降低传感器的接收灵敏度。
2)现代的CMOS传感器将模数转换电路ADC和其他支持电路就集成在芯片内。降低了系统的开发难度和制造成本，提高了可靠性。
3)CMOS使用单电源，单参考电压。降低了耗电，提高了系统的可靠性，减少了外围电路所产生的噪声干扰。
简单来说，CMOS传感器有效地解决或者改善了上面提到的CCD的缺点。当然其中最重要的，就是大大降低了生产成本。
那么，CMOS的缺点是什么?
CMOS有两个最大的缺点需要克服：
1)固定模式噪声FPN。前面说了，CMOS传感器中，每个感光点都有一个信号放大器和其他支持电路。但是在半导体的生产过程中，形成的各个放大器的增益和带宽都有差别，因此同样亮度的两个像点，最后形成的数值会有差别。从整幅图片来说，就会有一个“固定的噪声图片”。比如一幅18%灰度的图片，最后出来的亮度各处并不相同。
但是既然噪声的模式是“固定”的，就有办法解决。最有效的办法是所谓“双采样”(double sampling)。也就是在相机快门关闭后，先用10毫秒将图像读出，然后将传感器复位后，再用10毫秒第二次采样，得到一幅噪声图案。将原图像减去噪声图像，就可以有效消除固定模式噪声了。这种方式对于消除相机的固定模式噪声特别有效。当然如果是摄像机，那就要复杂一些了。
2)CMOS传感器的第二个大问题，是灵敏度不如CCD传感器。对于CCD来说，整个传感器的面积都可以用来接收光信号。受光率(fill factor)可以接近100%。但是对于CMOS传感器来说，由于感光阵列的每个像点上，都要留出一部分面积来做信号放大器和支持电路，所以光电二极管不能做大。受光率(好像无忌上常用“开口率”这个词汇)要大大小于100%。几年前，CMOS的受光率惨到只有20%多。这样，就会大大降低传感器的灵敏度。
3)CMOS传感器在扫描设备上的应用不够成熟，相关附件和图像处理不够完善。
解决CMOS传感器天生灵敏度低的办法有两个：第一是随着半导体技术的发展，CMOS的线宽越来越小，在同样面积上能做的电路也越来越多。或者说，同样的电路，需要的面积越来越小。这样留给感光电路的面积也就越来越大，比例越来越高。随着CMOS技术的快速发展，受光率还会进一步提高;第二就是采用“微透镜”(Micro Lens)，将一个像点上的光能都聚合到光敏二极管“开口”的位置。
通过上面的介绍我们看到CCD技术已经完全成熟，CMOS技术还在进步中。但就图像质量而言，今天两者已经不相上下。即使有些区别，和后端的图像处理器相比，也是微不足道了。
CCD传感器经过30多年的发展，技术已经成熟。但是仍有三大问题需要解决：生产成本高、系统集成度差、耗电。
CMOS传感器可以解决CCD传感器的这三大问题。但是自己也有两大新问题：固定模式噪声、低灵敏度。其中固定模式噪声目前已有技术基本解决。而灵敏度的问题正在改善，还会继续改善。目前全球CMOS传感器每年的需求量是大约90亿芯片(2016年)，随着市场需求的进一步扩大，推动了CMOS传感器技术的快速发展。相信在不远的未来CMOS传感器代替CCD传感器是必然趋势。目前以索尼为代表的CCD处理器制造龙头企业，也在2015年宣布将在2017年正式停止线性CCD产品的研发生产，全面投向新一代矩阵式CCD和CMOS传感器的研发和生产。
