圖像傳感器知識(shí)大全

圖像傳感器*概述

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(Charge Coupled Device，電荷耦合元件)和CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor，金屬氧化物半導(dǎo)體元件)兩大類。

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，這也是市場很多采用USB接口的產(chǎn)品無須外接電源且價(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攝像頭對光源的要求要高一些，但現(xiàn)在該問題已經(jīng)基本得到解決。目前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。

圖像傳感器是傳感技術(shù)中最主要的一個(gè)分支，廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域，它是PC 機(jī)多 媒體世界今后不可缺少的外設(shè)，也是保安器件，包括光電鼠標(biāo)、支持?jǐn)?shù)碼照相技術(shù)的手機(jī)以及消費(fèi)電子、醫(yī)藥和工業(yè)市場中的各種新應(yīng)用。每種應(yīng)用都有其獨(dú)特的客戶系統(tǒng)要求。

圖像傳感器*特性參數(shù)

• 1. 靈敏度：傳感器對單位光照積累信號(hào)的能力。

• 一般來說，由于CMOS傳感器的增益部分可以在內(nèi)部輕易實(shí)現(xiàn)，因此它比CCD要或多或少地占些優(yōu)勢。兩者內(nèi)部的互補(bǔ)晶體管電路可以允許低功耗、高增益的放大輸出，CCD相對要消耗更多的能量。某些CCD生產(chǎn)商正在通過最新的讀出放大技術(shù)改善這種狀況。

• 2. 動(dòng)態(tài)范圍：傳感器象素達(dá)到飽和時(shí)的電壓輸出于其能夠響應(yīng)的最低光照的電壓輸出的比值。

• 通常CCD的動(dòng)態(tài)范圍比CMOS傳感器高出約1倍左右。同時(shí)，CCD器件由于芯片內(nèi)部集成器件少而有著更低的噪聲輸出。在外部，通過對CCD芯片的制冷技術(shù)、采用更好的光學(xué)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)比CMOS器件更高的分辨率和適應(yīng)性。

• 3. 象素均勻性：在理想均勻光照條件下各個(gè)象素輸出的差異。

• 理想狀態(tài)下各個(gè)象素在均勻光照的條件下的輸出應(yīng)當(dāng)是相同的，但是由于現(xiàn)有的晶片工藝在空間上的差異，尤其是其中的暇R和放大器參數(shù)的不一致，造成的象素輸出是非均勻的。需要注意的是在光照條件下的均勻性和接近全暗條件下的均勻性(譯者注：后者為暗電流噪聲)是兩個(gè)不同的概念。CMOS傳感器在上述兩種條件下的均勻性均處于劣勢，這是由于它的每個(gè)象素都包含一個(gè)開環(huán)輸出放大器，而放大器的增益、偏置等參數(shù)在目前的晶片工藝下無法達(dá)到很高的一致性。某些人甚至預(yù)測隨著幾何尺寸的縮減和差異的增加，CCD將最終擊敗CMOS傳感器。

• 盡管如此，基于反饋的放大器結(jié)構(gòu)可以在光照條件下對增益和均勻性作最佳的折衷處理。這種放大器結(jié)構(gòu)可以使得CMOS傳感器的光照均勻性接近CCD傳感器的水平。

• 另一方面，CMOS的放大器在偏置參數(shù)上仍無法保證均勻性，這主要的表現(xiàn)就是無光照條件下的均勻性參數(shù)。盡管CMOS的生產(chǎn)商采取各種方法降低這種非均勻性，但是現(xiàn)在它仍然無法達(dá)到CCD的水平。這個(gè)參數(shù)在高速應(yīng)用中尤為重要，因?yàn)檫@種非均勻性在高速使用時(shí)將對整體輸出起到顯著影響

• 4. 快門速度：開始和結(jié)束曝光的能力。

• 這是基本上所有消費(fèi)級(jí)和大部分工業(yè)級(jí)CCD的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，尤其是在隔行轉(zhuǎn)移器件中，它也是機(jī)器視覺應(yīng)用中一個(gè)極重要的參數(shù)。CCD可以采用高級(jí)的電子快門技術(shù)，在損失最小的填充率(譯者注：即有效曝光區(qū)域和傳感器有效感光區(qū)域物理尺寸的比值)上達(dá)到最佳的折衷，即使是小象素的CCD傳感器也是如此。

• 5. 速度

• 由于CMOS的驅(qū)動(dòng)部分集成在器件內(nèi)部，減少了諸如電感、電容及傳輸延時(shí)等，因此通?？梢赃_(dá)到比CCD更高的運(yùn)行速度。目前CMOS器件的速度并沒有達(dá)到其最高水平，這是因?yàn)樵缙陉P(guān)注的焦點(diǎn)是在對速度要求不高的消費(fèi)領(lǐng)域的應(yīng)用，而CCD通常應(yīng)用于工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療領(lǐng)域。

• 6. 窗口功能

• CMOS傳感器的一個(gè)特殊的功能就是允許讀出圖象陣列的一部分。這有利于提高其掃描速度。在某些場合的應(yīng)用中，例如對短時(shí)間內(nèi)物體軌跡高精度跟蹤的應(yīng)用，需要利用CMOS器件的這個(gè)功能。CCD傳感器通常無法實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能。

• 7. 抗溢出功能：能夠排耗局部曝光過度的電荷積累而不影響圖象其它區(qū)域的能力。

• CMOS傳感器基本上天然的就是抗溢出的。而CCD則需要增加額外的工程設(shè)計(jì)達(dá)到這個(gè)目標(biāo)。許多針對消費(fèi)應(yīng)用的CCD具有抗溢出功能，而針對科學(xué)應(yīng)用的則沒有這個(gè)功能。

• 8. 偏置和時(shí)鐘

• CMOS傳感器通常只需要一個(gè)偏置電壓和一個(gè)低電壓時(shí)鐘信號(hào)。非標(biāo)準(zhǔn)的偏置在芯片內(nèi)部產(chǎn)生并與用戶接口隔離，除非有一些噪聲信號(hào)泄漏出來。CCD則通常需要相對高的偏置電壓，現(xiàn)代的CCD器件工藝也可以在低電壓時(shí)鐘下工作。

圖像傳感器*工作原理

成像物鏡將外界照明光照射下的(或自身發(fā)光的)景物成像在物鏡的像面上(焦平面),并形成二 維空間的光強(qiáng)分布(光學(xué)圖像)。能夠?qū)⒍S光強(qiáng)分布的光學(xué)圖像轉(zhuǎn)變成一維時(shí)序電信號(hào)的傳感器稱為圖像傳感器。圖像傳感器輸出的一維時(shí)序信號(hào)經(jīng)過放大和同步控制處理后，送給圖像顯示器，可以還原并顯示二維光學(xué)圖像。當(dāng)然，圖像傳感器與圖像顯示器之間的信號(hào)傳輸與接收都要遵守一定的規(guī)則，這個(gè)規(guī)則被稱為制式。例如，廣播電視系統(tǒng)中規(guī)定的規(guī)則稱為電視制式(NTSC、PAL、SECAM),還有其他的一些專用制式。按電視制式輸出的——維時(shí)序信號(hào)被稱為視頻信號(hào);本節(jié)主要討論從光學(xué)圖像到視頻信號(hào)的轉(zhuǎn)換原理，即圖像傳感器的原理。

1 圖像傳感器的基本結(jié)構(gòu) 圖像傳感器的種類很多，根據(jù)圖像的分解方式可將圖像傳感器分成三種類型，即光機(jī)掃光電圖像傳感器、電子束掃描圖像傳感器和固體自掃描圖像傳感器。

2 固體自掃描圖像傳感器 固體自掃描圖像傳感器是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的新型圖像傳感器件，如面陣CCD器件，CM0S圖像傳感器件等;這類器件本身只有自掃描功能：例如，面陣CCD固體攝像器件的光敏面能夠?qū)⒊上裼谄渖系墓鈱W(xué)圖像轉(zhuǎn)換成電荷密度分布的電荷圖像。電荷圖像可以在驅(qū)動(dòng)脈沖的作用下按照一定的規(guī)則(如電視制)一行行地輸出，形成圖像信號(hào) (或視頻信號(hào))。 上述三種掃描方式中.電子束掃描方式由于電子束攝像管逐漸被固體圖像傳感器所取代已逐漸退出舞臺(tái). 目前光機(jī)掃描方式與固體自掃描方式在光電圖像傳感器中占據(jù)主導(dǎo)地位，們是，在有些應(yīng)用中通過將一些掃描入式組合起來，能夠獲得性能更為優(yōu)越的圖像傳感器、例如，將幾個(gè)線陣拼接成圖像傳感器或幾個(gè)面陣圖像傳感器拼接起來，再利用機(jī)械掃描機(jī)構(gòu)，形成一個(gè)視場更大、分辨率更高的圖像傳感器，以滿足人們探索宇宙奧秘的需要。掃描方式有逐行掃描和隔行掃描。 3 圖像傳感器的基本技術(shù)參數(shù) 圖像傳感器的基本技術(shù)參數(shù)一般包括圖像傳感器的光學(xué)成像物鏡與光電成像器件的參數(shù)。 (1) 成像物鏡的焦距f 成像物鏡的焦距決定了被攝景物在光電成像器件上所成像的大小，在景物相同的情況下，焦距越長，所成的像越大。 (2) 相對孔徑fD 成像物鏡的相對孔徑為物鏡入瞳的直徑與其焦距之比。相對孔徑大小決定了物鏡的分辨率、像面照度和成像物鏡成像質(zhì)量。 (3)視場角2ω 成像物鏡的視場角決定了能在光電圖像傳感器上成像良好的空間范圍。要求成像物鏡所成的景物圖像要大于圖像傳感器的有效面積： 以上這二個(gè)參數(shù)是相互制約的，不可能同時(shí)提高，在實(shí)際應(yīng)用中要根據(jù)情況適當(dāng)選擇。

圖像傳感器*分類

以產(chǎn)品類別區(qū)分，圖像傳感器產(chǎn)品主要分為CCD( Charge Coupled Device ，電荷耦合元件)、CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor ，金屬氧化物半導(dǎo)體元件)以及CIS(Contact Image Sensor) 接觸式圖像傳感器三種。這里將主要簡介CCD以及CMOS傳感器的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀。

圖像傳感器*CCD圖像傳感器

CCD：電荷藕合器件圖像傳感器CCD(Charge Coupled Device)，它使用一種高感光度的半導(dǎo)體材料制成，能把光線轉(zhuǎn)變成電荷，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)經(jīng)過壓縮以后由相機(jī)內(nèi)部的閃速存儲(chǔ)器或內(nèi)置硬盤卡保存，因而可以輕而易舉地把數(shù)據(jù)傳輸給計(jì)算機(jī)，并借助于計(jì)算機(jī)的處理手段，根據(jù)需要和想像來修改圖像。

CCD(Charged Coupled Device)于1969年在貝爾試驗(yàn)室研制成功，之后由日商等公司開始量產(chǎn)，其發(fā)展歷程已經(jīng)將近30多年，從初期的10多萬像素已經(jīng)發(fā)展至目前主流應(yīng)用的500萬像素。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。

CCD優(yōu)點(diǎn)

一般認(rèn)為，CCD傳感器有以下優(yōu)點(diǎn)：

1.　高解析度

(High Resolution)：像點(diǎn)的大小為μm級(jí)，可感測及識(shí)別精細(xì)物體，提高影像品質(zhì)。從早期1寸、1/2寸、2/3寸、1/4寸到最近推出的1/9寸，像素?cái)?shù)目從初期的10多萬增加到現(xiàn)在的400～500萬像素;

2.　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(shí)又具高敏感度，很低光度的入射光也能偵測到，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

(High Dynamic Range)：同時(shí)偵測及分辨強(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

(Linearity)：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; 　　高光子轉(zhuǎn)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(qiáng)管及投光器，即使在暗夜遠(yuǎn)處的景物仍然還可以偵測得到;

5.　大面積感光

(Large Field of View)：利用半導(dǎo)體技術(shù)已可制造大面積的CCDD晶片，目前與傳統(tǒng)底片尺寸相當(dāng)?shù)?5mm的CCD已經(jīng)開始應(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; 　　光譜響應(yīng)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(kuò)大系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域;

6.　低影像失真

(Low Image Distortion)：使用CCD感測器，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;

7.　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;

8.　低m電力

不受強(qiáng)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(chǎn)，品質(zhì)穩(wěn)定，堅(jiān)固，不易老化，使用方便及保養(yǎng)容易。

傳統(tǒng)CCD

傳統(tǒng)CCD使用的是矩形的感光單元，而富士公司2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)。

圖像傳感器*CMOS圖像傳感器

CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)，互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體

CMOS的制造技術(shù)和一般計(jì)算機(jī)芯片沒什么差別，主要是利用硅和鍺這兩種元素所做成的半導(dǎo)體，使其在CMOS上共存著帶N(帶–電) 和 P(帶+電)級(jí)的半導(dǎo)體，這兩個(gè)互補(bǔ)效應(yīng)所產(chǎn)生的電流即可被處理芯片紀(jì)錄和解讀成影像。 CMOS傳感器也可細(xì)分為被動(dòng)式像素傳感器(Passive Pixel Sensor CMOS)與主動(dòng)式像素傳感器(Active Pixel Sensor CMOS)。

CMOS圖像傳感器對比

CMOS圖像傳感器于80年代發(fā)明以來，由于當(dāng)時(shí)CMOS工藝制程的技術(shù)不高，以致于傳感器在應(yīng)用中的雜訊較大，商品化進(jìn)程一直較慢。時(shí)至今日，CMOS傳感器的應(yīng)用范圍也開始非常的廣泛，包括數(shù)碼相機(jī) 、PC Camera、影像電話、第三代手機(jī)、視訊會(huì)議、智能型保全系統(tǒng)、汽車倒車?yán)走_(dá)、玩具，以及工業(yè)、醫(yī)療等用途。在低檔產(chǎn)品方面，其畫質(zhì)質(zhì)量已接近低檔 CCD的解析度，相關(guān)業(yè)者希望用CMOS器件取代CCD的努力正在逐漸明朗。CMOS傳感器有可細(xì)分為：被動(dòng)式像素傳感器CMOS(Passive Pixel Sensor CMOS)與主動(dòng)式像素傳感器CMOS(Active Pixel Sensor CMOS)。

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

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，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(Back-end Chip)、快閃記憶體(Flash RAM)等也可整合成單晶片(SYSTEM-ON-CHIP)，以達(dá)到降低整機(jī)生產(chǎn)成本的目的。

正因?yàn)榇?，目前投入研發(fā)、生產(chǎn)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(tái)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(jì)市占率達(dá)93%。

根據(jù)In-Stat統(tǒng)計(jì)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(fù)合成長率快速成長，逐步侵占CCD器件的應(yīng)用領(lǐng)域。特別是在去年快速發(fā)展的手機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域中，以CMOS圖像傳感器為主的攝相模塊將占領(lǐng)其80%以上的應(yīng)用市場。

在業(yè)界，與CCD傳感器不同另一點(diǎn)是CMOS目前占據(jù)市場主要地位的是北美廠商，前三大廠商為Agilent、OmniVision和Photobit。因此圖像傳感器業(yè)界的技術(shù)、產(chǎn)業(yè)競爭，實(shí)質(zhì)上是日本和北美雙雄爭霸的局面。

CMOS線陣圖像傳感器DLIS-2K ---世界上最快的單端口重新配置的線性圖像傳感器 測量范圍：200nm~1100nm 輸出信號(hào)：數(shù)字型 DLIS-2K線陣圖像傳感器包括4行像素，每行有2081個(gè)光學(xué)像素和16黑像素。其中3行為4 x 4 micron方形像素，另一行為4x32 micron長方形像素。通過運(yùn)用 Correlated Multi-Sampling (CMS)方法，其等效靈敏度可達(dá)160 V/lux-s。每一行可任意控制曝光及輸出。此外，背景采樣可使用常規(guī) Correlated Double Sampling (CDS)值或設(shè)為用戶控制的環(huán)境光值。傳感器由3線串口控制，集成了我們的專利技術(shù) high speed Distributed 8 to 11 bit Analog to Digital Converter (D/AD), XtremeIX 和 Active column sensor technologies 來最大的實(shí)現(xiàn)應(yīng)用功能。

圖像傳感器*應(yīng)用范圍

圖像傳感器屬于光電產(chǎn)業(yè)里的光電元件類，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，目前市場和業(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，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(yīng)用，無疑要屬數(shù)碼相機(jī)產(chǎn)品，其發(fā)展速度可以用日新月異來形容。短短的幾年，數(shù)碼相機(jī)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(dá)的歐美國家，數(shù)碼相機(jī)已經(jīng)占有很大的市場，就是在發(fā)展中的中國，數(shù)碼相機(jī)的市場也在以驚人的速度在增長，因此，其關(guān)鍵零部件—— 圖像傳感器產(chǎn)品就成為當(dāng)前以及未來業(yè)界關(guān)注的對象，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。本文將主要簡介CCD以及CMOS傳感器的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀。