图像传感器技术的特点

作者：辽宁省计量科学研究院 肖季春

欢迎访问e展厅 展厅 10 机器视觉展厅 工业相机, 镜头, 视觉传感器, 图像采集卡, 视觉光源, ... 在图像传感器类别中，CCD是应用在摄影摄像方面的高端技术元件，CMOS则应用于较低影像品质的产品中，它的优点是制造成本较CCD更低，功耗也低得多，这也是市场上很多采用USB接口的产品无须外接电源且价格便宜的原因。尽管在技术上有较大的不同，但CCD和CMOS两者性能差距不是很大，只是CMOS摄像头对光源的要求要高一些，但现在该问题已经基本得到解决。目前CCD元件的尺寸多为1/3英寸或者1/4英寸，在相同的分辨率下，宜选择元件尺寸较大的为好。 图像传感器应用范围 图像传感器属于光电产业里的光电元件类，随着数码技术、半导体制造技术以及网络的迅速发展，目前市场和业界都面临着跨越各平台的视讯、影音、通讯大整合时代的到来，勾划着未来人类的日常生活的美景。 在日常生活中的应用，数码相机产品的发展速度可以用日新月异来形容。短短的几年，数码相机就由几十万像素，发展到400、500万像素甚至更高。不仅在发达的欧美国家，数码相机已经占有很大的市场，就是在发展中的中国，数码相机的市场也在以惊人的速度增长，因此，其关键零部件——图像传感器产品就成为当前以及未来业界关注的对象，吸引着众多厂商投入。以产品类别区分，图像传感器产品主要分为CCD、CMOS以及CIS传感器三种。本文将主要简介CCD以及CMOS传感器的技术和产业发展现状。 CCD图像传感器 CCD（Charged Coupled Device）于1969年在贝尔试验室研制成功，其发展历程已经将近40多年，从初期的10多万像素已经发展至目前主流应用的500万像素。CCD又可分为线型（Linear）与面型（Area）两种，其中线型应用于影像扫瞄器及传真机上，而面型主要应用于数码相机（DSC）、摄录影机、监视摄影机等多项影像输入产品上。 一般认为，CCD传感器有以下优点： ● 高解析度（High Resolution）： 像点的大小为μm级，可感测及识别精细物体，提高影像品质。从早期1寸、1/2寸、2/3寸、1/4寸到最近推出的1/9寸，像素数目从初期的10多万增加到现在的400～500万像素。 ● 低杂讯（Low Noise），高敏感度：CCD具有很低的读出杂讯和暗电流杂讯，因此提高了信噪比（SNR），同时又具高敏感度，很低光度的入射光也能侦测到，其讯号不会被掩盖，使CCD的应用较不受天候拘束。 ● 动态范围广（High Dynamic Range）：同时侦测及分辨强光和弱光，提高系统环境的使用范围，不因亮度差异大而造成信号反差现象。 ● 良好的线性特性曲线（Linearity）：入射光源强度和输出讯号大小成良好的正比关系，物体资讯不致损失，降低信号补偿处理成本。 ● 高光子转换效率（High Quantum Efficiency）：很微弱的入射光照射都能被记录下来，若配合影像增强管及投光器，即使在暗夜远处的景物仍然还可以侦测到。 ● 大面积感光（Large Field of View）：利用半导体技术已可制造大面积的CCD芯片晶片，目前与传统底片尺寸相当的35mm的CCD已经开始应用在数码相机中，成为取代专业有利光学相机的关键元件。 ● 光谱响应广（Broad Spectral Response）：能检测很宽波长范围的光，增加系统使用弹性，扩大系统应用领域。 ● 低影像失真（Low Image Distortion）：使用CCD感测器，其影像处理不会有失真的情形，使原物体资讯忠实地反应出来。 ● 体积小、重量轻。CCD具备体积小且重量轻的特性，因此，可容易地装置在人造卫星及各式导航系统上。 ● 低耗电力，不受强电磁场影响。 ● 电荷传输效率佳：该效率系数影响信噪比、解像率，若电荷传输效率不佳，影像将变得较模糊。 ● 可大批量生产，品质稳定，坚固，不易老化，使用方便及保养容易。CCD产业前七大厂商皆为日系厂商，占了全球98.5%的市场份额，在技术发展方面，目前较有特色的主要厂商为索尼、飞利普和柯达公司。 各公司在CCD产品方面的优势飞利普公司具有业界最大尺寸的CCD传感器， 在数码相机的应用中，其35mm尺寸的CCD已经应用在“Contax”的数码相机中，成为专业数码相机的代言人。其次该公司还具有独特的“Frame-Transfer CCD”（面扫描）技术，该产品在应用中，可实现每秒30-60幅的速率。这是真正视频信号的速度。 柯达的CCD采用了广受好评的ITO CCD（氧化铟锡）技术，而不是传统的聚硅化合物。其特点是敏锐度更高，般CCD感应较弱的蓝光以及抗杂讯干扰方面有突破性的改善，其对蓝光感应能力提高了2.5倍，同时大幅降低了杂讯干扰，使影像更强锐利、色彩更加准确，透光性比一般CCD提高了20%，对于一为专业数码摄影提供了高解析度、锐利度的影像。 传统CCD使用的是矩形的感光单元，而富士公司2年前研制的“SuperCCD（超级蜂窝结构）使用的是八边形的感光单元，使用了蜂巢的八边形结构，因此其感光单元面积要 高于传统CCD。这样会获得三个好处，一是可以提高CCD的感光度，二是提高动态范围，三是提高了信噪比。这三个优点加上SuperCCD更高的生成像素，成为富士公司在数码相机产品上的最大卖点。 CMOS图像传感器 CMOS图像传感器于80年代发明以来，由于当时CMOS工艺制程的技术不高，以致于传感器在应用中的杂讯较大，商品化进程一直较慢。时至今日，CMOS传感器的应用范围也开始非常的广泛，包括数码相机 、PC Camera、影像电话、第三代手机、视讯会议、智能型保全系统、汽车倒车雷达、玩具，以及工业、医疗等用途。在低档产品方面，其画质质量已接近低档CCD的解析度，相关业者希望用CMOS器件取代CCD的努力正在逐渐明朗。CMOS传感器有可细分为：被动式像素传感器CMOS与主动式像素传感器CMOS。 与CCD相比，CMOS具有体积小，耗电量不到CCD的十分之一，售价也比CCD便宜三分之一的优点。与CCD产品相比，CMOS是标准工艺制程，可利用现有的半导体设备， 不需额外的投资设备， 且品质可随著半导体技术的提升而进步。同时， 全球晶圆厂的CMOS生产线较多，日后量产时也有利于成本的降低。 另外，CMOS传感器的最大优势，是它具有高度系统整合的条件。理论上，所有图像传感器所需的功能，例如垂直位移、水平位移暂存器、时序控制、CDS、ADC等， 都可放在集成在一颗晶片上， 甚至于所有的晶片包括后端晶片（Back-end Chip）、快闪记忆体（Flash RAM）等也可整合成单晶片（SYSTEM-ON-CHIP），以达到降低整机生产成本的目的。 正因为此，目前投入研发、生产的厂商较多，美国有30多家，欧洲7家，日本约8家，韩国1家，台湾有8家。而居全球翘楚地位的厂商是Agilent（HP），其市场占有率51%、ST（VLSI Vision）占16%、OmniVision占13%、现代占8%、Photobit约占5%，这五家合计市占率达93%。 在快速发展的手机应用领域中，以CMOS图像传感器为主的摄相模块将占领80%以上的应用市场。在业界，与CCD传感器不同的另一点是CMOS目前占据市场主要地位的是北美厂商，前三大厂商为Agilent、OmniVision和Photobit。因此图像传感器业界的技术、产业竞争，实质上是日本和北美争霸的局面。 从产品的技术发展趋势看，无论是CCD还是CMOS，其体积小型化及高像素化仍是业界积极研发的目标。因为像素大则图像产品的分辨率越高，清晰度越好，体积越小，其应用面更广泛。(end)

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