圖像傳感器

CMOS傳感器采用一般半導體電路最常用的CMOS工藝，具有集成度高、功耗小、速度快、成本低等特點，最近幾年在寬動態(tài)、低照度方面發(fā)展迅速。CMOS即互補性金屬氧化物半導體，主要是利用硅和鍺兩種元素所做成的半導體，通過CMOS上帶負電和帶正電的晶體管來實現(xiàn)基本的功能。這兩個互補效應所產生的電流即可被處理芯片記錄和解讀成影像。

在模擬攝像機以及標清網(wǎng)絡攝像機中，CCD的使用最為廣泛，長期以來都在市場上占有主導地位。CCD的特點是靈敏度高，但響應速度較低，不適用于高清監(jiān)控攝像機采用的高分辨率逐行掃描方式，因此進入高清監(jiān)控時代以后，CMOS逐漸被人們所認識，高清監(jiān)控攝像機普遍采用CMOS感光器件。

CMOS針對CCD最主要的優(yōu)勢就是非常省電。不像由二級管組成的CCD，CMOS電路幾乎沒有靜態(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重要問題是在處理快速變換的影像時，由于電流變換過于頻繁而過熱，暗電流抑制的好就問題不大，如果抑制的不好就十分容易出現(xiàn)噪點。

已經研發(fā)出720P與1080P專用的背照式CMOS器件，其靈敏度性能已經與CCD接近。與表面照射型CMOS傳感器相比，背照式CMOS在靈敏度(S/N)上具有很大優(yōu)勢，顯著提高低光照條件下的拍攝效果，因此在低照度環(huán)境下拍攝，能夠大幅降低噪點。

雖然以CMOS技術為基礎的百萬像素攝像機產品在低照度環(huán)境和信噪處理方面存在不足，但這并不會根本上影響它的應用前景。而且相關國際大企業(yè)正在加大力度解決這兩個問題，相信在不久的將來，CMOS的效果會越來越接近CCD的效果，并且CMOS設備的價格會低于CCD設備。

安防行業(yè)使用CMOS多于CCD已經成為不爭的事實，盡管相同尺寸的CCD傳感器分辨率優(yōu)于CMOS傳感器，但如果不考慮尺寸限制，CMOS在量率上的優(yōu)勢可以有效克服大尺寸感光原件制造的困難，這樣CMOS在更高分辨率下將更有優(yōu)勢。另外，CMOS響應速度比CCD快，因此更適合高清監(jiān)控的大數(shù)據(jù)量特點。

與CCD相比，CMOS具有體積小，耗電量不到CCD的1/10，售價也比CCD便宜1/3的優(yōu)點。

與CCD產品相比，CMOS是標準工藝制程，可利用現(xiàn)有的半導體設備，不需額外的投資設備，且品質可隨著半導體技術的提升而進步。同時，全球晶圓廠的CMOS生產線較多，日后量產時也有利于成本的降低。另外，CMOS傳感器的最大優(yōu)勢，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(Back-end Chip)、快閃記憶體(Flash RAM)等也可整合成單晶片(SYSTEM-ON-CHIP)，以達到降低整機生產成本的目的。

正因為此，投入研發(fā)、生產的廠商較多，美國有30多家，歐洲7家，日本約8家，韓國1家，臺灣有8家。而居全球翹楚地位的廠商是Agilent(HP)，其市場占有率51%、ST(VLSI Vision)占16%、Omni Vision占13%、現(xiàn)代占8%、Photobit約占5%，這五家合計市占率達93%。

根據(jù)In-Stat統(tǒng)計資料顯示，CMOS傳感器的全球銷售額到2004年可望突破18億美元，CMOS將以62%的年復合成長率快速成長，逐步侵占CCD器件的應用領域。特別是在2013年快速發(fā)展的手機應用領域中，以CMOS圖像傳感器為主的攝相模塊將占領其80%以上的應用市場。

CMOS圖像傳感器屬于新興產品市場，其市場占有率變化不如成熟產業(yè)那般恒常不變，例如在1999年時，CMOS市場中，按照出貨比例排名依序為Agilent、OmniVision、STM和Hyundai，其市場占有率分別為24%、22%、14%和14%，其中STM是歐洲廠商，Hyundai是韓國廠商;但只經過一年后的市場競爭，Agilent和OmniVision出貨排名順序仍然分居一、二，且市場占有率分別提升到37.7%和30.8%，而STM落居第四，市場占有率大幅滑落至4.8%，至于Hyundai更是大幅衰退只剩2.1%的市場占有率，值得一提的是Photobi在2000年度的大幅成長，全球市場占有率快速成長至13.7%，排名全球第三。這三家廠商出貨量就占全球出貨量的82.2%。從中可以分析，這個產業(yè)的廠商集中度相當密集，所以觀察上述三家廠商的動態(tài)和發(fā)展，可看出許產業(yè)和技術未來發(fā)展方向。

Agilent主要的產品為第二代的CIF(352*288)HDCS-1020和第二代的VGA(640*480)HDCS-2020，主要應用在數(shù)碼相機 、行動電話、PDA、PC Camera等新興的資訊家電產品之中，此外Agilent在2000年另一成功策略是和Logitech與Microsoft這兩家公司策略聯(lián)盟，打入了光學鼠標產品領域，但是這是非常低階的CMOS產品，而且不是為了捕捉影像 ，所以在做影像感測器的全球統(tǒng)計時并未將此數(shù)量一并加入，但是此舉可看出Agilent以CMOS技術為基礎進軍光學元件的規(guī)劃意圖。

OmniVision它主要的產品包括︰CIF(352 x 288)、VGA(640 x 480)、SVGA(800 x 600)和SXGA(1280 x 1024)。Omnivision開發(fā)的130萬像素等級的CMOS圖像傳感器正在被業(yè)界大量應用在數(shù)碼相機中。業(yè)界一般認為，百萬像素為使用CMOS和CCD的分水嶺，CMOS成功跨進這一市場，足以說明CMOS技術發(fā)展對市場的滲透度，未來可能將取代CCD成為中低檔影像產品的不留應用。Omnivision在2001年5月開發(fā)的CIF(352 x 288)等級的CMOS傳感器，其特色為低秏電，目標市場定位在移動電話上，其產品發(fā)展策略和各大研究調查機構不謀而合，在移動電話市場上，CMOS模組的攝相模塊已經成為移動通訊應用的最大量產品。

Photobit在2000年獲得較大成功。2001年Photobit率先研發(fā)出PB-0330產品型號的CMOS圖像傳感器，此產品特色具備單一晶片邏輯轉數(shù)位的變頻器，它是第二代1/4寸的VGA(640 x 480)，同時也推出PB-0111產品型號的CMOS影像感測器，是第二代1/5寸的CIF(352 x 288)。Photobit推出這兩種產品主要針對數(shù)碼相機和PC Camera的數(shù)位化產品，和OmniVision CIF(352 x 288)定位在行動電話市場上有所區(qū)隔，其推出CIF(352 x 288)和VGA(640 x 480)這兩種不同解析程度的影像感測器，行銷范圍意圖含蓋低階和中高階市場。

2013年業(yè)界發(fā)展了CMOS圖像傳感器新技術--C3D。C3D技術的最大特點就是像素反應的均一性。C3D技術重新定義了成像器的性能(即把系統(tǒng)的整體性能包括在內)并提高了CMOS圖像傳感器在均一性和暗電流方面的標準性能。

2014年初，美國Foveon公司公開展示了其最新發(fā)展的Foveon X3技術，立即引起業(yè)界的高度關注。Foveon X3是全球第一款可以在一個像素上捕捉全部色彩的圖像傳感器陣列。傳統(tǒng)的光電耦合器件只能感應光線強度，不能感應色彩信息，需要通過濾色鏡來感應色彩信息，我們稱之為Bayer濾鏡。而Foveon X3在一個像素上通過不同的深度來感應色彩，最表面一層感應藍色、第二層可以感應綠色，第三層感應紅色。它是根據(jù)硅對不同波長光線的吸收效應來達到一個像素感應全部色彩信息，已經有了使用這種技術的CMOS圖像傳感器，其應用產品是"Sigma SD9"數(shù)碼相機。

這項革新技術可以提供更加銳利的圖像，更好的色彩，比起以前的圖像傳感器，X3是第一款通過內置硅光電傳感器來檢測色彩的。Foveon X3的技術對于傳統(tǒng)半導體感光技術來說有很大的突破，也有顛覆傳統(tǒng)技術的效果，相信Foveon X3會有很好的前景。

在高分辨率像素產品方面，日前臺灣銳視科技已領先業(yè)界批量推出了210萬像素的CMOS圖像傳感器，而且已有美商與臺灣的光學鏡頭廠合作，將在第三季推出此款CMOS傳感器結合鏡頭的模組，CMOS應用已經開始在200萬像素數(shù)碼相機產品中應用。

對比

CCD提供很好的圖像質量、抗噪能力和相機設計時的靈活性。盡管由于增加了外部電路使得系統(tǒng)的尺寸變大，復雜性提高，但在電路設計時可更加靈活，可以盡可能的提升CCD相機的某些特別關注的性能。CCD更適合于對相機性能要求非常高而對成本控制不太嚴格的應用領域，如天文，高清晰度的醫(yī)療X光影像、和其他需要長時間曝光，對圖像噪聲要求嚴格的科學應用。

CMOS是能應用當代大規(guī)模半導體集成電路生產工藝來生產的圖像傳感器，具有成品率高、集成度高、功耗小、價格低等特點。CMOS技術是世界上許多圖像傳感器半導體研發(fā)企業(yè)試圖用來替代CCD的技術。經過多年的努力，作為圖像傳感器，CMOS已經克服早期的許多缺點，發(fā)展到了在圖像品質方面可以與CCD技術較量的水平。CMOS的水平使它們更適合應用于要求空間小、體積小、功耗低而對圖像噪聲和質量要求不是特別高的場合。如大部分有輔助光照明的工業(yè)檢測應用、安防保安應用、和大多數(shù)消費型商業(yè)數(shù)碼相機應用。

圖像傳感器的視訊比現(xiàn)在是給定的，使用高清(HD)分辨率1080p，攝像機設計正朝使用更小的光學格式發(fā)展，導致需要更小的像素結構，以降低整體系統(tǒng)成本，同時不影響圖像性能或光靈敏度。

CCD圖像傳感器由于靈敏度高、噪聲低，逐步成為圖像傳感器的主流。但由于工藝上的原因，敏感元件和信號處理電路不能集成在同一芯片上，造成由CCD圖像 傳感器組裝的攝像機體積大、功耗大。CMOS圖像傳感器以其體積小、功耗低在圖像傳感器市場上獨樹一幟。但最初市場上的CMOS圖像傳感器，一直沒有擺脫 光照靈敏度低和圖像分辨率低的缺點，圖像質量還無法與CCD圖像傳感器相比。

如果把CMOS圖像傳感器的光照靈敏度再提高5倍~10 倍，把噪聲進一步降低，CMOS圖像傳感器的圖像質量就可以達到或略微超過CCD圖像傳感器的水平，同時能保持體積小、重量輕、功耗低、集成度高、價位低 等優(yōu)點，如此，CMOS圖像傳感器就會取代CCD圖像傳感器，并且發(fā)展出更好的功效。

由于CMOS圖像傳感器的應用，新一代圖像系統(tǒng)的開發(fā)研制得到了 極大的發(fā)展，并且隨著經濟規(guī)模的形成，其生產成本也得到降低?，F(xiàn)在，CMOS圖像傳感器的畫面質量也能與CCD圖像傳感器相媲美，這主要歸功于圖像傳感器 芯片設計的改進，以及亞微米和深亞微米級設計增加了像素內部的新功能。實際上，更確切地說，CMOS圖像傳感器應當是一個圖像系統(tǒng)。一 個典型的CMOS圖像傳感器通常包含:一個圖像傳感器核心(是將離散信號電平多路傳輸?shù)揭粋€單一的輸出，這與CCD圖像傳感器很相似)，所有的時序邏輯、 單一時鐘及芯片內的可編程功能，比如增益調節(jié)、積分時間、窗口和模數(shù)轉換器。事實上，當一位設計者購買了CMOS圖像傳感器后，他得到的是一個包括圖像陣 列邏輯寄存器、存儲器、定時脈沖發(fā)生器和轉換器在內的全部系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的CCD 圖像系統(tǒng)相比，把整個圖像系統(tǒng)集成在一塊芯片上不僅降低了功耗，而且具有重量較輕，占用空間減少以及總體價格更低的優(yōu)點。

CCD是應用在攝影攝像方面的高端技術元件，CMOS則應用于較低影像品質的產品中，它的優(yōu)點是制造成本較CCD更低，功耗也低得多，這也是市場很多采用USB接口的產品無須外接電源且價格便宜的原因。盡管在技術上有較大的不同，但CCD和CMOS兩者性能差距不是很大，只是CMOS攝像頭對光源的要求要高一些，但該問題已經基本得到解決。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。

圖 像傳感器 ，或稱感光元件，是一種將光學圖像轉換成電子信號的設備，它被廣泛地應用在數(shù)碼相機和其他電子光學設備中。早期的圖像傳感器采用模擬信號，如攝像管(video camera tube)。隨著數(shù)碼技術、半導體制造技術以及網(wǎng)絡的迅速發(fā)展，市場和業(yè)界都面臨著跨越各平臺的視訊、影音、通訊大整合時代的到來，勾劃著未來人類的日常生活的美景。以其在日常生活中的應用，無疑要屬數(shù)碼相機產品，其發(fā)展速度可以用日新月異來形容。短短的幾年，數(shù)碼相機就由幾十萬像素，發(fā)展到400、500萬像素甚至更高。不僅在發(fā)達的歐美國家，數(shù)碼相機已經占有很大的市場，就是在發(fā)展中的中國，數(shù)碼相機的市場也在以驚人的速度在增長，因此，其關鍵零部件--圖像傳感器產品就成為當前以及未來業(yè)界關注的對象，吸引著眾多廠商投入。以產品類別區(qū)分，圖像傳感器產品主要分為CCD、CMOS以及CIS傳感器三種。本文將主要簡介CCD以及CMOS傳感器的技術和產業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀。

感光器件是工業(yè)攝像機最為核心的部件，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、色彩還原能力佳等優(yōu)點，在交通、醫(yī)療等高端領域中廣泛應用。由于其成像方面的優(yōu)勢，在很長時間內還會延續(xù)采用，但同時由于其成本高、功耗大也制約了其市場發(fā)展的空間。

CCD與CMOS在不同的應用場景下各有優(yōu)勢，但隨著CMOS工藝和技術的不斷提升，以及高端CMOS價格的不斷下降，相信在安防行業(yè)高清攝像機未來的發(fā)展中，CMOS將占據(jù)越來越重要的地位。

C CD(Charged Coupled Device)于1969年在貝爾試驗室研制成功，之后由日商等公司開始量產，其發(fā)展歷程已經將近30多。CCD又可分為線型(Linear)與面型(Area)兩種，其中線型應用于影像掃瞄器及傳真機上，而面型主要應用于數(shù)碼相機(DSC)、攝錄影機、監(jiān)視攝影機等多項影像輸入產品上。

一般認為，CCD傳感器有以下優(yōu)點:

高解析度

(High Resolution):像點的大小為μm級，可感測及識別精細物體，提高影像品質。從1寸、1/2寸、2/3寸、1/4寸到推出的1/9寸，像素數(shù)目從10多萬增加到400~500萬像素;

低雜訊

(Low Noise)高敏感度: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)，同時又具高敏感度，很低光度的入射光也能偵測到，其訊號不會被掩蓋，使CCD的應用較不受天候拘束;

動態(tài)范圍廣

(High Dynamic Range):同時偵測及分辨強光和弱光，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反差現(xiàn)象。

良好的線性特性曲線

(Linearity):入射光源強度和輸出訊號大小成良好的正比關系，物體資訊不致?lián)p失，降低信號補償處理成本;

高光子轉換效率(High Quantum Efficiency ):很微弱的入射光照射都能被記錄下來，若配合影像增強管及投光器，即使在暗夜遠處的景物仍然還可以偵測得到;

大面積感光

(Large Field of View):利用半導體技術已可制造大面積的CCD晶片，與傳統(tǒng)底片尺寸相當?shù)?5mm的CCD已經開始應用在數(shù)碼相機中，成為取代專業(yè)有利光學相機的關鍵元件;

光譜響應廣(Broad Spectral Response):能檢測很寬波長范圍的光，增加系統(tǒng)使用彈性，擴大系統(tǒng)應用領域;

低影像失真

(Low Image Distortion):使用CCD感測器，其影像處理不會有失真的情形，使原物體資訊忠實地反應出來;

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)星及各式導航系統(tǒng)上;

低秏電力

不受強電磁場影響;

9. 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;

10. 可大批量生產，品質穩(wěn)定，堅固，不易老化，使用方便及保養(yǎng)容易。

根據(jù)In-Stat在2001時對全球圖像傳感器的研究報告中指出，CCD產業(yè)前七大廠商皆為日系廠商，占了全球98.5%的市場份額，在技術發(fā)展方面，較有特色的主要廠商應為索尼、飛利普和柯達公司。

了解CCD和CMOS芯片的成像原理和主要參數(shù)對于產品的選型時非常重要的。同樣，相同的芯片經過不同的設計制造出的相機性能也可能有所差別。

CCD和CMOS的主要參數(shù)有以下幾個:

1. 像元尺寸

像元尺寸指芯片像元陣列上每個像元的實際物理尺寸，通常的尺寸包括14um,10um, 9um , 7um , 6.45um ,3.75um 等。像元尺寸從某種程度上反映了芯片的對光的響應能力，像元尺寸越大，能夠接收到的光子數(shù)量越多，在同樣的光照條件和曝光時間內產生的電荷數(shù)量越多。對于弱光成像而言，像元尺寸是芯片靈敏度的一種表征。

2. 靈敏度

靈敏度是芯片的重要參數(shù)之一，它具有兩種物理意義。一種指光器件的光電轉換能力，與響應率的意義相同。即芯片的靈敏度指在一定光譜范圍內，單位曝光量的輸出信號電壓(電流)，單位可以為納安/勒克斯nA/Lux、伏/瓦(V/W)、伏/勒克斯(V/Lux)、伏/流明(V/lm)。另一種是指器件所能傳感的對地輻射功率(或照度)，與探測率的意義相同，。單位可用瓦(W)或勒克斯(Lux)表示。

3. 壞點數(shù)

由于受到制造工藝的限制，對于有幾百萬像素點的傳感器而言，所有的像元都是好的情況幾乎不太可能，壞點數(shù)是指芯片中壞點(不能有效成像的像元或相應不一致性大于參數(shù)允許范圍的像元)的數(shù)量，壞點數(shù)是衡量芯片質量的重要參數(shù)。

4. 光譜響應

光譜響應是指芯片對于不同光波長光線的響應能力，通常用光譜響應曲線給出。

從產品的技術發(fā)展趨勢看，無論是CCD還是CMOS，其體積小型化及高像素化仍是業(yè)界積極研發(fā)的目標。因為像素尺寸小則圖像產品的分辨率越高、清晰度越好、體積越小，其應用面更廣泛。

從上述二種圖像傳感器解析度來看，未來將有幾年時間，以130萬像素至200萬像素為界，之上的應用領域中，將仍以CCD主流，之下的產品中，將開始以CMOS傳感器為主流。業(yè)界分析2014年底至2015初，將有300萬像素的CMOS上市，預測CMOS市場應用超越CCD的時機一般在2004年-2005年。

CCD圖像傳感器作為一種新型光電轉換器現(xiàn)已被廣泛應用于攝像、圖像采集、掃描儀以及工業(yè)測量等領域。作為攝像器件，與攝像管相比，CCD圖像傳感器有體積小、重量輕、分辨率高、靈敏度高、動態(tài)范圍寬、光敏元的幾何精度高、光譜響應范圍寬、工作電壓低、功耗小、壽命長、抗震性和抗沖擊性好、不受電磁場干擾和可靠性高等一系列優(yōu)點。

在CMOS圖像傳感器芯片上還可以集成其他數(shù)字信號處理電路，如AD轉換器、自動曝光量控制、非均勻補償、白平衡處理、黑電平控制、伽瑪校正等，為了進行快速計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)字相機及圖像處理系統(tǒng)。

1963年Morrison發(fā)表了可計算傳感器，這是一種可以利用光導效應測定光斑位置的結構，成為CMOS圖像傳感器發(fā)展的開端。1995年低噪聲的CMOS有源像素傳感器單片數(shù)字相機獲得成功。

CMOS圖像傳感器具有以下幾個優(yōu)點:1)、隨機窗口讀取能力。隨機窗口讀取操作是CMOS圖像傳感器在功能上優(yōu)于CCD的一個方面，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現(xiàn)同時開多個跟蹤窗口的功能。2)、抗輻射能力?？偟膩碚f，CMOS圖像傳感器潛在的抗輻射性能相對于CCD性能有重要增強。3)、系統(tǒng)復雜程度和可靠性。采用CMOS圖像傳感器可以大大地簡化系統(tǒng)硬件結構。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，由于在像元結構中集成了多個功能晶體管的原因，CMOS圖像傳感器也存在著若干缺點，主要是噪聲和填充率兩個指標。鑒于CMOS圖像傳感器相對優(yōu)越的性能，使得CMOS圖像傳感器在各個領域得到了廣泛的應用。

美國高清高速CMOS圖像傳感器

DYNAMAX-11:潘納維申影像這顆新的傳感器含有的全局電子曝光快門技術，極大地改善了工業(yè)成像在室內和室外的應用。這顆新發(fā)布的DYNAMAX-11圖像傳感器適合用于機器視覺、安防監(jiān)控、智能交通、生命科學、生物醫(yī)療、科學影像、高清錄像、電視廣播等工業(yè)成像領域。這顆新發(fā)布的DYNAMAX-11圖像傳感器含有320萬像素，像素大小為5.0?m × 5.0?m。DYNAMAX-11具有以下一些特點:

1:高靈敏度，低噪聲。DYNAMAX-11在卷簾曝光的模式下，可以實現(xiàn)小于4 electrons rms噪聲，在全局曝光的模式下，可以實現(xiàn)小于8 electrons rms噪聲。

2:寬的光譜響應范圍，覆蓋從可見光到紅外。

3: DYNAMAX-11具有快速的輸出能力，可以達到全尺寸3.2M輸出時，60幀/秒，和HDTV1920*1080輸出時，72幀/秒的輸出速度。

4:高動態(tài)模式下的動態(tài)范圍可達120分貝.

DYNAMAX-11采用了CLCC封裝，非常便于客戶的安裝焊接和結構設計。DYNAMAX-11 適合3/4英寸的光學尺寸。同時，DYNAMAX-11對應高清電視格式要求(HDTV,1080i,16:9)，也設計了感興趣區(qū)域的2/3英寸的200萬像素光學格式(對角線11毫米)。

DYNAMAX-11彩色和黑白兩種芯片的樣片正提供給PVI的客戶.