圖像傳感器及其應(yīng)用

圖像傳感器及其應(yīng)用1、圖像傳感器介紹（1）圖像傳感器簡(jiǎn)介圖像傳感器，是組成數(shù)字?jǐn)z像頭的重要組成部分。根據(jù)元件的不同，可分為CCD（CHARGECOUPLEDDEVICE，電荷耦合元件）和CMOS（COMPLEMENTARYMETALOXIDESEMICONDUCTOR，金屬氧化物半導(dǎo)體元件）兩大類。（2）CCD圖像傳感器CCD是應(yīng)用在攝影攝像方面的高端技術(shù)元件，CMOS則應(yīng)用于較低影像品質(zhì)的產(chǎn)品中，它的優(yōu)點(diǎn)是制造成本較CCD更低，功耗也低得多，這也是市場(chǎng)很多采用USB接口的產(chǎn)品無(wú)須外接電源且價(jià)格便宜的原因。盡管在技術(shù)上有較大的不同，但CCD和CMOS兩者性能差距不是很大，只是CMOS攝像頭對(duì)光源的要求要高一些，但該問(wèn)題已經(jīng)基本得到解決。CCD元件的尺寸多為1/3英寸或者1/4英寸，在相同的分辨率下，宜選擇元件尺寸較大的為好。圖像傳感器又叫感光元件。（3）CMOS圖像傳感器在CMOS圖像傳感器芯片上還可以集成其他數(shù)字信號(hào)處理電路，如AD轉(zhuǎn)換器、自動(dòng)曝光量控制、非均勻補(bǔ)償、白平衡處理、黑電平控制、伽瑪校正等，為了進(jìn)行快速計(jì)算甚至可以將具有可編程功能的DSP器件與CMOS器件集成在一起，從而組成單片數(shù)字相機(jī)及圖像處理系統(tǒng)。1963年MORRISON發(fā)表了可計(jì)算傳感器，這是一種可以利用光導(dǎo)效應(yīng)測(cè)定光斑位置的結(jié)構(gòu)，成為CMOS圖像傳感器發(fā)展的開(kāi)端。1995年低噪聲的CMOS有源像素傳感器單片數(shù)字相機(jī)獲得成功。CMOS圖像傳感器具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)1）、隨機(jī)窗口讀取能力。隨機(jī)窗口讀取操作是CMOS圖像傳感器在功能上優(yōu)于CCD的一個(gè)方面，也稱之為感興趣區(qū)域選取。此外，CMOS圖像傳感器的高集成特性使其很容易實(shí)現(xiàn)同時(shí)開(kāi)多個(gè)跟蹤窗口的功能。2）、抗輻射能力。總的來(lái)說(shuō)，CMOS圖像傳感器潛在的抗輻射性能相對(duì)于CCD性能有重要增強(qiáng)。3）、系統(tǒng)復(fù)雜程度和可靠性。采用CMOS圖像傳感器可以大大地簡(jiǎn)化系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)。4）、非破壞性數(shù)據(jù)讀出方式。5）、優(yōu)化的曝光控制。值得注意的是，由于在像元結(jié)構(gòu)中集成了多個(gè)功能晶體管的原因，CMOS圖像傳感器也存在著若干缺點(diǎn)，主要是噪聲和填充率兩個(gè)指標(biāo)。鑒于CMOS圖像傳感器相對(duì)優(yōu)越的性能，使得CMOS圖像傳感器在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。2、CCD圖像傳感器（一）CCD發(fā)展歷史感光器件是工業(yè)攝像機(jī)最為核心的部件，圖像傳感器有CMOS和CCD兩種。CCD特有的工藝，具有低照度效果好、信噪比高、通透感強(qiáng)、色彩還原能力佳等優(yōu)點(diǎn)，在交通、醫(yī)療等高端領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用。由于其成像方面的優(yōu)勢(shì)，在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)還會(huì)延續(xù)采用，但同時(shí)由于其成本高、功耗大也制約了其市場(chǎng)發(fā)展的空間。CCD與CMOS在不同的應(yīng)用場(chǎng)景下各有優(yōu)勢(shì)，但隨著CMOS工藝和技術(shù)的不斷提升，以及高端CMOS價(jià)格的不斷下降，相信在安防行業(yè)高清攝像機(jī)未來(lái)的發(fā)展中，CMOS將占據(jù)越來(lái)越越重要的地位。CCD（CHARGEDCOUPLEDDEVICE）于1969年在貝爾試驗(yàn)室研制成功，之后由日商等公司開(kāi)始量產(chǎn)，其發(fā)展歷程已經(jīng)將近30多。CCD又可分為線型（LINEAR）與面型（AREA）兩種，其中線型應(yīng)用于影像掃瞄器及傳真機(jī)上，而面型主要應(yīng)用于數(shù)碼相機(jī)（DSC）、攝錄影機(jī)、監(jiān)視攝影機(jī)等多項(xiàng)影像輸入產(chǎn)品上。（二）CCD傳感器特點(diǎn)1高解析度像點(diǎn)的大小為M級(jí)，可感測(cè)及識(shí)別精細(xì)物體，提高影像品質(zhì)。從1寸、1/2寸、2/3寸、1/4寸到推出的1/9寸，像素?cái)?shù)目從10多萬(wàn)增加到400500萬(wàn)像素；2低雜訊CCD具有很低的讀出雜訊和暗電流雜訊，因此提高了信噪比（SNR），同時(shí)又具高敏感度，很低光度的入射光也能偵測(cè)到，其訊號(hào)不會(huì)被掩蓋，使CCD的應(yīng)用較不受天候拘束；3動(dòng)態(tài)范圍廣同時(shí)偵測(cè)及分辨強(qiáng)光和弱光，提高系統(tǒng)環(huán)境的使用范圍，不因亮度差異大而造成信號(hào)反差現(xiàn)象。4良好的線性特性曲線入射光源強(qiáng)度和輸出訊號(hào)大小成良好的正比關(guān)系，物體資訊不致?lián)p失，降低信號(hào)補(bǔ)償處理成本；5高光子轉(zhuǎn)換效率很微弱的入射光照射都能被記錄下來(lái)，若配合影像增強(qiáng)管及投光器，即使在暗夜遠(yuǎn)處的景物仍然還可以偵測(cè)得到；6大面積感光利用半導(dǎo)體技術(shù)已可制造大面積的CCD晶片，與傳統(tǒng)底片尺寸相當(dāng)?shù)?5MM的CCD已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用在數(shù)碼相機(jī)中，成為取代專業(yè)有利光學(xué)相機(jī)的關(guān)鍵元件；7光譜響應(yīng)廣能檢測(cè)很寬波長(zhǎng)范圍的光，增加系統(tǒng)使用彈性，擴(kuò)大系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域；8低影像失真使用CCD感測(cè)器，其影像處理不會(huì)有失真的情形，使原物體資訊忠實(shí)地反應(yīng)出來(lái)；9體積小、重量輕CCD具備體積小且重量輕的特性，因此，可容易地裝置在人造衛(wèi)星及各式導(dǎo)航系統(tǒng)上；10低秏電力11不受強(qiáng)電磁場(chǎng)影響12電荷傳輸效率佳該效率系數(shù)影響信噪比、解像率，若電荷傳輸效率不佳，影像將變較模糊；13可大批量生產(chǎn)，品質(zhì)穩(wěn)定，堅(jiān)固，不易老化，使用方便及保養(yǎng)容易。（三）CCD傳感器的應(yīng)用CMOS圖像傳感器被廣泛地應(yīng)用在數(shù)碼相機(jī)和其他電子光學(xué)設(shè)備中。早期的圖像傳感器采用模擬信號(hào)，如攝像管（VIDEOCAMERATUBE）。隨著數(shù)碼技術(shù)、半導(dǎo)體制造技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)的迅速發(fā)展，市場(chǎng)和業(yè)界都面臨著跨越各平臺(tái)的視訊、影音、通訊大整合時(shí)代的到來(lái)，勾劃著未來(lái)人類的日常生活的美景。以其在日常生活中的應(yīng)用，無(wú)疑要屬數(shù)碼相機(jī)產(chǎn)品，其發(fā)展速度可以用日新月異來(lái)形容。短短的幾年，數(shù)碼相機(jī)就由幾十萬(wàn)像素，發(fā)展到400、500萬(wàn)像素甚至更高。不僅在發(fā)達(dá)的歐美國(guó)家，數(shù)碼相機(jī)已經(jīng)占有很大的市場(chǎng)，就是在發(fā)展中的中國(guó)，數(shù)碼相機(jī)的市場(chǎng)也在以驚人的速度在增長(zhǎng)，因此，其關(guān)鍵零部件圖像傳感器產(chǎn)品就成為當(dāng)前以及未來(lái)業(yè)界關(guān)注的對(duì)象，吸引著眾多廠商投入。以產(chǎn)品類別區(qū)分，圖像傳感器產(chǎn)品主要分為CCD、CMOS以及CIS傳感器三種。本文將主要簡(jiǎn)介CCD以及CMOS傳感器的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀。（四）CCD傳感器的市場(chǎng)品牌具有業(yè)界最大尺寸的CCD傳感器，在數(shù)碼相機(jī)的應(yīng)用中，其35MM尺寸的CCD已經(jīng)應(yīng)用在“CONTAX”的數(shù)碼相機(jī)中，成為專業(yè)數(shù)碼相機(jī)的代言人。其次該公司還具有獨(dú)特的“FRAMETRANSFERCCD”（面掃描）技術(shù)，該產(chǎn)品在應(yīng)用中，可實(shí)現(xiàn)每秒3060幅的速率。這是真正視頻信號(hào)的速度?？逻_(dá)的CCD采用了廣受好評(píng)的ITOCCD（氧化銦錫）技術(shù)，而不是傳統(tǒng)的聚硅化合物。其特點(diǎn)是敏銳度更高，透光性比一般CCD提高了20，對(duì)于一般CCD感應(yīng)較弱的藍(lán)光以及抗雜訊干擾方面有突破性的改善，其對(duì)藍(lán)光感應(yīng)能力提高了25倍，同時(shí)大幅降低了雜訊干擾，使影像更強(qiáng)銳利、色彩更加準(zhǔn)確，為專業(yè)數(shù)碼攝影提供了高解析度、銳利度的影像。傳統(tǒng)CCD使用的是矩形的感光單元，而富士公司2012年前研制的“SUPERCCD（超級(jí)蜂窩結(jié)構(gòu)）使用的是八邊形的感光單元，使用了蜂巢的八邊形結(jié)構(gòu)，因此其感光單元面積要高于傳統(tǒng)CCD。這樣會(huì)獲得三個(gè)好處，一是可以提高CCD的感光度、二是提高動(dòng)態(tài)范圍、三是提高了信噪比。這三個(gè)優(yōu)點(diǎn)加上SUPERCCD更高的生成像素成為富士公司在數(shù)碼相機(jī)產(chǎn)品上的最大賣點(diǎn)。3、CMOS圖像傳感器（一）CMOS發(fā)展歷史與CCD產(chǎn)品相比，CMOS是標(biāo)準(zhǔn)工藝制程，可利用現(xiàn)有的半導(dǎo)體設(shè)備，不需額外的投資設(shè)備，且品質(zhì)可隨著半導(dǎo)體技術(shù)的提升而進(jìn)步。同時(shí)，全球晶圓廠的CMOS生產(chǎn)線較多，日后量產(chǎn)時(shí)也有利于成本的降低。另外，CMOS傳感器的最大優(yōu)勢(shì)，是它具有高度系統(tǒng)整合的條件。理論上，所有圖像傳感器所需的功能，例如垂直位移、水平位移暫存器、時(shí)序控制、CDS、ADC等，都可放在集成在一顆晶片上，甚至于所有的晶片包括后端晶片（BACKENDCHIP）、快閃記憶體（FLASHRAM）等也可整合成單晶片（SYSTEMONCHIP），以達(dá)到降低整機(jī)生產(chǎn)成本的目的。（2）CMOS特點(diǎn)CMOS傳感器采用一般半導(dǎo)體電路最常用的CMOS工藝，具有集成度高、功耗小、速度快、成本低等特點(diǎn)，最近幾年在寬動(dòng)態(tài)、低照度方面發(fā)展迅速。CMOS即互補(bǔ)性金屬氧化物半導(dǎo)體，主要是利用硅和鍺兩種元素所做成的半導(dǎo)體，通過(guò)CMOS上帶負(fù)電和帶正電的晶體管來(lái)實(shí)現(xiàn)基本的功能。這兩個(gè)互補(bǔ)效應(yīng)所產(chǎn)生的電流即可被處理芯片記錄和解讀成影像。CMOS針對(duì)CCD最主要的優(yōu)勢(shì)就是非常省電。不像由二級(jí)管組成的CCD，CMOS電路幾乎沒(méi)有靜態(tài)電量消耗。這就使得CMOS的耗電量只有普通CCD的1/3左右，CMOS重要問(wèn)題是在處理快速變換的影像時(shí)，由于電流變換過(guò)于頻繁而過(guò)熱，暗電流抑制的好就問(wèn)題不大，如果抑制的不好就十分容易出現(xiàn)噪點(diǎn)。（三）CMOS的市場(chǎng)CMOS圖像傳感器屬于新興產(chǎn)品市場(chǎng)，其市場(chǎng)占有率變化不如成熟產(chǎn)業(yè)那般恒常不變，例如在1999年時(shí)，CMOS市場(chǎng)中，按照出貨比例排名依序?yàn)锳GILENT、OMNIVISION、STM和HYUNDAI，其市場(chǎng)占有率分別為24、22、14和14，其中STM是歐洲廠商，HYUND