CMOS圖像傳感器積極拓展醫(yī)療等新興應(yīng)用

CMOS圖像傳感器目前占領(lǐng)了面積較大、頻譜范圍較寬和動態(tài)范圍較高的領(lǐng)域，為電子圖像捕捉技術(shù)創(chuàng)造了新的應(yīng)用領(lǐng)域。傳統(tǒng)的CCD圖像傳感器技術(shù)已不再滿足工業(yè)和專業(yè)領(lǐng)域的圖像捕捉需求，基于標(biāo)準(zhǔn)CMOS技術(shù)的創(chuàng)新性圖像傳感器，以令人矚目的靈活性、優(yōu)異的靜止和動態(tài)特點以及在各類系統(tǒng)環(huán)境中的易集成性，為醫(yī)療電子中的新穎應(yīng)用提供了可行的替代性解決方案。

賽普拉斯的300萬像素圖像傳感器積極拓展新興應(yīng)用。

從CCD到CMOS的發(fā)展趨勢

在過去30年里，CCD一直被用于圖像傳感和捕捉。作為一項成熟的技術(shù)，它以較低的噪聲提供良好的圖像質(zhì)量。作為電荷耦合器件，它們連續(xù)地把圖像數(shù)據(jù)從一個像素傳送到另一個像素。為此，它們需要幾個工作電壓、外部時鐘生成器和精密的驅(qū)動及選擇電路，需要占用較大電路板空間和消耗較多的功率。因此，使用這類圖像傳感器無論是從性能特點還是靈活性方面考慮都不再滿足目前的系統(tǒng)需求。從CCD圖像傳感器到CMOS區(qū)域傳感器的產(chǎn)品換代已進(jìn)行了一段時間，CMOS區(qū)域傳感器具有以下幾個好的特點:更好的系統(tǒng)集成性、較低的功率需求、更靈活的圖像捕捉、更智能的接口、更大的動態(tài)范圍和較高的靈敏度。

更好的系統(tǒng)集成性

隨著數(shù)字技術(shù)融合的進(jìn)展，即把圖像捕捉、圖像處理和無線通訊等以前的分力功能集成到一個緊湊型器件之中，市場對于這種具有部分完整功能的“自治子系統(tǒng)”的需求不斷增長。這類子系統(tǒng)在一個封裝中提供盡可能多的功能單元。例如，在專業(yè)測量技術(shù)中，具有靈活的數(shù)碼相機、PDA用戶接口和WLAN連接的便攜測試設(shè)備，非常有效地擴大了光學(xué)檢查和監(jiān)控任務(wù)的范圍。

醫(yī)療圖像處理是圖像傳感器的另一個傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域，從大型X線到所有的內(nèi)窺鏡檢查方法，一直到可吞咽的“藥丸式相機”。CMOS技術(shù)提供了一個非常有用的執(zhí)行平臺：雖然CCD圖像傳感器仍然需要其它外部邏輯技術(shù)以實現(xiàn)控制和模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換，但CMOS相機芯片允許圖像傳感器、控制器件、轉(zhuǎn)換器和選擇邏輯，以及HF發(fā)射機以同一種技術(shù)實現(xiàn)，因而可以放置在同一個硅片表面。把更多的系統(tǒng)功能集成到一個“自治的”光電傳感器系統(tǒng)之中是可能的，主要取決于計劃使用的范圍和基本經(jīng)濟條件，如開發(fā)成本和單位數(shù)量等。

較低的功率需求

便攜式設(shè)備并不依賴電網(wǎng)供電，因此只有當(dāng)其元件和子系統(tǒng)的功率需求較低時才能正常工作。CMOS技術(shù)在這方面顯然具有更多的優(yōu)勢，因為CMOS圖像傳感器面向3.3V或2.5V左右的較低的單電源電壓，而多數(shù)CCD芯片要求多個較高的電源電壓，如高達(dá)12V的電壓。這些電壓必須利用比較耗電的變壓器來生成，而且變壓器還占用電路板上的寶貴空間。如果控制和系統(tǒng)功能集成到CMOS傳感器之中，總體性能會更好，因為消除與其它半導(dǎo)體元件相連的外部接線也能省掉它們功耗較大的驅(qū)動器：在芯片內(nèi)部進(jìn)行的通訊與在芯片外部通過電路板或基板實現(xiàn)的通訊相比，需要的功率要少得多。

此外，采用CMOS圖像傳感器還能帶來一個極受歡迎的“副產(chǎn)品”，即低噪聲發(fā)射，而且它們的噪聲絕緣性非常高，因為模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器都集成在圖像傳感器的內(nèi)部，意味著容易出現(xiàn)干擾的模擬信號線就不必在外面經(jīng)過。另外，數(shù)字圖像輸出信號使系統(tǒng)集成商更容易以較低的成本集成功能強大的CMOS相機，這也使其能夠用于惡劣的環(huán)境之中。例如，醫(yī)療、藥丸式相機和內(nèi)窺鏡等體內(nèi)應(yīng)用需要非常低的功率，因為向外散熱的可能性有限，尤其對于藥丸式相機，其外表溫度需要與體溫一致。

更靈活的圖像捕捉

在醫(yī)療和工業(yè)應(yīng)用中，人們需要的常常是圖像中的一個具體細(xì)節(jié)，但由于CCD圖像傳感器的連續(xù)電荷傳送，只能讀出全部圖像內(nèi)容——一個完整的幀。然后再利用一個選擇電路從整個圖像中把需要的部分提取出來。另一方面，CMOS圖像傳感器的結(jié)構(gòu)象一個存儲陣列，以便能夠通過二次取樣，或者通過選擇部分圖像區(qū)域(開窗口)，訪問或者讀出單個像素或像素群。

二次取樣提供了一個具有較低分辨率的常規(guī)取樣模式，開窗口功能允許選擇圖像的有用部分。窗口四角的坐標(biāo)通過一個串行或并行接口發(fā)送到CMOS傳感器，并在那里得到自動處理，以控制讀出操作。這也是一個把額外的邏輯集成到CMOS傳感器之中的典型例子，這對于CCD是不可能的，因為它采用的技術(shù)不適合邏輯電路。

較高的動態(tài)范圍

工業(yè)和醫(yī)藥方面許多有趣的情景都出現(xiàn)在逆光條件下，因此要求圖像傳感器具有較高的動態(tài)范圍。雖然線性傳感器的動態(tài)范圍正好與信噪比(SNR)成比例，但CMOS圖像傳感器的多斜率操作使得動態(tài)范圍得到大幅提高，而SNR仍然不變。光亮度與輸出電壓之間的分段線性關(guān)系顯示了這點，這導(dǎo)致整個轉(zhuǎn)換范圍內(nèi)具有非線性特點。

因此，場景的較暗部分?jǐn)U展到模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換范圍的較大部分：轉(zhuǎn)換特征曲線在此處變得最陡，確保了高靈敏度和對比度。通過使特征曲線的上部變得水平，明亮區(qū)域中感光過度的一些部分也能充分捕獲。這樣，在10位A/D轉(zhuǎn)換范圍上就可能獲得動態(tài)范圍高達(dá)100dB的圖像。

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