CMOS和CCD图像传感器概述
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随着各式消费性电子的兴起,图像传感器已成为半导体业中最耀眼的明星产品之一,而在图像传感器中,CCD传感器与新兴成长的 CMOS Sensor也逐渐找到自己的应用市场,希望成为市场上的主流技术。CMOS图像传感器与CCD传感器相比具有感光度低、信噪比高的缺点,但是其仍具有低功耗、低成本等优点。针对全球Image Sensor (影像传感器) IC组件市场分析,2010年全球Image Sensor 组件应用市场规模为7.1亿美元,在经过金融风暴的影响后,仍持续呈现正成长趋势。TRI预估在2012年Image Sensor市场之规模将近8.5亿美元;Image Sensor市场占比尤以CMOS Sensor之比重为高,平均占比约在9成左右。* M' z. R; y1 a) r* Q& H' {. q
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针对CMOS Sensor市场规模分析,2010年CMOS Sensor 组件整体市场规模为6.3亿美元,占整体Image Sensor市场89%,整体市场趋势平均维持90%的区间范围。而在各项消费性电子搭载的渗透率偏高的状态下,未来成长幅度趋缓进入产业成长成熟期,TRI预估CMOS Sensor在2011年年成长率为13%,未来将追求在技术像素及制造成本上的进步。 ; k8 u$ l3 u7 J( b4 E0 s T% @
CMOS Sensor为摄像机模块应用市场最重要的影像传感器应用组件,其中应用占比最高的为通讯电子商品,占整体CMOS Sensor市场的70%,而CMOS Sensor市场的主要应用包括安全系统、车用系统、PC相关周边应用、数码相机等。IPad带动的平板电脑市场是CMOS Sensor成长最快的应用市场。4 S+ l: T2 P4 }) d) \4 @0 Y2 Y& Y
% U- L1 ?/ z, w* i+ }6 o4 R3 O 安防摄像机的应用市场占图像传感器市场值1成之间,过去多使用CCD作为影像传感器,近年来CMOS Sensor的性能不断提升,开始打入长久为CCD Sensor独占的市场,主要偏向较低价的安防摄像机。2 A: c8 t7 U2 h( J1 i
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CCD与CMOS的技术特点 7 [2 J* _6 H/ g) m1 M$ `
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CCD与CMOS的技术特点主要在于成像过程、集成度、功耗、性能指标等方面。4 \3 L8 r# Y; |% }2 ~; l9 f, E
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成像过程, g6 r# {- N+ L- |9 T' W* \$ e
; s1 x4 F7 g. u5 ]9 p CCD和CMOS使用相同的光敏材料,因而受光后产生电子的基本原理相同,但是读取过程不同:CCD是在同步信号和时钟信号的配合下以帧或行的方式转移,整个电路非常复杂,读出速率慢;CMOS则以类似DRAM的方式读出信号,电路简单,读出速率高。9 L! h, P( H/ Q" L$ W
8 S% K$ n0 I) g% q# s 集成度) V) I. U# S7 n* }" B [0 z
$ M' v* ?( O% g. X+ h; T1 e8 F0 c1 Z 采用特殊制造工艺的CCD读出电路比较复杂,很难将A/D转换、信号处理、自动增益控制、精密放大和存储功能集成到一块芯片上,一般需要多个芯片组合实现,同时还需要一个多通道非标准供电电压。借助于大规模集成制造工艺,CMOS图像传感器能非常容易地把上述功能集成到单一芯片上,多数CMOS图像传感器同时具有模拟和数字输出信号。
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电 源、功 耗 和 体 积, l: Z8 U, ~" _+ S9 u% w
# l3 u- K8 B% t. D CCD需多种电源供电,功耗较大,体积也比较大。CMOS只需一个单电源(3V~5V)供电,其功耗相当于CCD的1/10,高度集成CMOS芯片可以做的相当小。
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" ^+ b! B. M- W5 I7 T/ a 性能指标
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; w+ c' e8 L, ~' |1 G% ~( c* ~% [ CCD技术已经相当成熟,而CMOS正处于蓬勃发展时期,虽然目前高端CMOS图像质量暂时不如CCD,但有些指标(如传输速率等方面)已超过CCD。由于CMOS具有诸多优点,国内外许多机构已经应用CMOS图像传感器开发出众多产品。
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# Y2 ?( X: I# u CMOS传感器关键技术取得突破 ) y% e+ b7 X+ Z) z0 I- @. t
CMOS传感器的技术发展跟随摩尔定律快速发展,尤其是几年来在市场需求的推动下,关键技术不断取得突破。对于用户关注的CMOS的照度和噪点等问题,实际上可见光下CMOS的信噪比远高于CCD。一方面,随着国际CMOS大厂的不断改进,CMOS还继续在成像的通透性、对实物的色彩还原能力等方面迎头赶上。研发了感光度增强技术,进而通过使用大尺寸传感器提高开口率,这正是提高CMOS感光能力的最直接办法。即便是在噪音控制方面,有公司将专门的噪声检测算法直接整合于CMOS图像传感器的控制逻辑中。通过这项技术,固定噪声就可以成功剔除了。更何况CMOS的价格远低于CCD设备。另一方面,在ISP中采用多种技术革新,如去噪技术来提升CMOS的噪点问题。
& }3 j/ E& H) R ~4 ~7 t* t 此外,从工艺上来讲,CCD每提升100万像素就需要对其生产线进行改造,研发生产的成本比较高。如果CCD尺寸仍然维持在2/3英寸的话,单位电极的间隙就被限制在0.4微米以内,进而导致制造中产生的损品率与生产成本大幅度攀升。
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在各主力厂商的不断努力下,新的CMOS器件不断推陈出新,高动态范围CMOS器件已经出现,这一技术消除了对快门、光圈、自动增益控制及伽玛校正的需要。另外由于CMOS先天的可塑性,可以做出高分辨率像素的大型CMOS感光器而成本却不上升多少。相对于CCD的停滞不前相比,CMOS作为新生事物而展示出了蓬勃的活力。CMOS图像传感器正在向高分辨率、高动态范围、高灵敏度、数字化、多功能化的多元化的细分市场发展。随着CMOS图像传感器技术的不断进度,CMOS传感器在安防摄像机的应用会不断增大。
3 |' E5 ^! a7 e/ a* y' _ 结束语 9 L: M8 d0 ?$ ?
ISP是CMOS和CCD摄像机中的重要器件,ISP主要负责对传感器中出来的图像数据进行后处理。直接从传感器中得到的图像是很糟糕的,不论色彩还是细节都与实际图像有很大差距,只能看到图像的中物体的大致轮廓。经过ISP的处理,包括内插、去噪、去坏点、边缘加强、肤色矫正、白平衡等操作后,可以使图像变的更加细腻,更加贴近真实世界中的图像。ISP的主要功能包括线性纠正、噪声去除、坏点去除、内插、白平衡、自动曝光控制等。
" s) `% J9 I; k2 V$ d 随着CMOS传感器和ISP芯片技术的快速进步,广大摄像机厂家将会有更多的功能丰富的方案选择,CMOS传感器在安防摄像机中将会得到越来越多的应用。 & O3 k* o4 v! J- v: L. ]
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