CMOS圖像傳感器的應(yīng)用

1、CMO圖像傳感器的應(yīng)用1.4.1數(shù)字電視和視頻攝像電子圖像傳感器的起源就來(lái)自電視攝像的應(yīng)用， CMOS圖像傳感器現(xiàn)在已 經(jīng)成為先進(jìn)的數(shù)字電視攝像設(shè)備的主流圖像傳感器。電視和視頻攝像的特點(diǎn)就是 攝取連續(xù)圖像，在這個(gè)領(lǐng)域中除了廣播電視以外，CMOS圖像傳感器廣泛應(yīng)用于監(jiān)控?cái)z像機(jī)(Surveillance )、網(wǎng)絡(luò)和多媒體攝像(Webcam )以及個(gè)人和 專(zhuān)業(yè)的數(shù)字視頻攝像機(jī)(Camcorder )。雖然CCD圖像傳感器在這一廣闊領(lǐng) 域仍然占有一席之地，但在高清晰度電視HD1080 及以上的最新型號(hào)數(shù)字圖像 攝像機(jī)中，采用CMOS圖像傳感器已經(jīng)成為主流。在數(shù)字電視和視頻技術(shù)領(lǐng)域 中，廣泛應(yīng)用先進(jìn)的高

2、速數(shù)據(jù)傳輸、存儲(chǔ)和信號(hào)處理技術(shù)，并與微型計(jì)算機(jī)、網(wǎng) 絡(luò)和數(shù)字通信技術(shù)接口，直接輸出圖像數(shù)據(jù)的 CMOS圖像傳感器芯片，比其前 一代CCD圖像傳感器具備更明顯的優(yōu)勢(shì)。1.4 CMO圖像傳感器的應(yīng)用數(shù)字電視和視頻攝像電子圖像傳感器的起源就來(lái)自電視攝像的應(yīng)用，CMOS圖像傳感器現(xiàn)在已經(jīng)成為先進(jìn)的數(shù)字電視攝像設(shè)備的主流圖像傳感器。電視和視頻攝像的特點(diǎn)就是 攝取連續(xù)圖像，在這個(gè)領(lǐng)域中除了廣播電視以外，CMOS圖像傳感器廣泛應(yīng)用于監(jiān)控?cái)z像機(jī)(Surveillance )、網(wǎng)絡(luò)和多媒體攝像(Webcam )以及個(gè)人和 專(zhuān)業(yè)的數(shù)字視頻攝像機(jī)(Camcorder )。雖然CCD圖像傳感器在這一廣闊領(lǐng) 域仍然占有

3、一席之地，但在高清晰度電視HD1080 及以上的最新型號(hào)數(shù)字圖像 攝像機(jī)中，采用CMOS圖像傳感器已經(jīng)成為主流。在數(shù)字電視和視頻技術(shù)領(lǐng)域 中，廣泛應(yīng)用先進(jìn)的高速數(shù)據(jù)傳輸、存儲(chǔ)和信號(hào)處理技術(shù)，并與微型計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)和數(shù)字通信技術(shù)接口，直接輸出圖像數(shù)據(jù)的CMOS圖像傳感器芯片，比其前一代CCD圖像傳感器具備更明顯的優(yōu)勢(shì)。靜止圖像數(shù)碼照相機(jī)當(dāng)今的靜止圖像數(shù)碼照相機(jī)已經(jīng)幾乎完全取代了有近二百年歷史的膠片照相術(shù)。當(dāng)1975 年伊斯曼-科達(dá)公司發(fā)明數(shù)碼照相機(jī)時(shí)，正是得到了 CCD圖像傳感器技術(shù)的幫助和推動(dòng)。在當(dāng)今被稱(chēng)為下片”機(jī)的Point-shoot 數(shù)碼照相機(jī)產(chǎn)品中，CCD圖像傳感器還占有相當(dāng)?shù)姆蓊~，這可

4、能是出于盡量充分利用已有 生產(chǎn)能力的商業(yè)考慮，畢竟卡片照相機(jī)的單一品種產(chǎn)量還是相當(dāng)大的。但是在高端和專(zhuān)業(yè)的數(shù)字單鏡頭反光照相機(jī)（DSLR ）領(lǐng)域，最新型號(hào)的產(chǎn)品幾乎全部采用CMOS圖像傳感器。這可能是由于DSLR照相機(jī)對(duì)傳感器芯片所要求的層出 不窮的新功能和新性能，更適合能迅速推出新設(shè)計(jì)，而不需要重建新工藝生產(chǎn)線的CMOS圖像傳感器。當(dāng)然,這也說(shuō)明了 CMOS圖像傳感器的圖像質(zhì)量，已經(jīng)達(dá)到和超過(guò)比它先行20年的上一代CCD圖像傳感器的水平。當(dāng)前高端的數(shù)碼單反照相機(jī)的光電傳感器陣列的尺寸，大多數(shù)采用兩種標(biāo)準(zhǔn)：全幅的傳感器為36mm 寬和24mm 高，相當(dāng)于傳統(tǒng)135照相膠片的成像尺寸；以及另一種

5、較小的 APS-C標(biāo)準(zhǔn)，其尺寸大約在半幅” 24mm寬和16mm 高左右，其具體尺寸數(shù)據(jù)隨不同廠商不同型號(hào)的產(chǎn)品會(huì)有不同的版本。它們分別配合傳統(tǒng)全幅規(guī)格或APS-C規(guī)格透鏡，以滿足來(lái)源于膠片時(shí)代的專(zhuān)業(yè) 和業(yè)余攝影師藝術(shù)風(fēng)格和習(xí)慣需求，這兩種成像標(biāo)準(zhǔn)都遠(yuǎn)大于多數(shù)卡片照相機(jī)CCD成像器尺寸。應(yīng)用CMOS圖像傳感器的靜止圖像照相機(jī)還可以達(dá)到很高的清晰度，使攝取的圖像擁有更多的細(xì)節(jié)信息。數(shù)碼單反照相機(jī)更可以利用成像面積大的優(yōu)勢(shì)， 達(dá)到幾千萬(wàn)像素的前所未有的清晰度。不論哪一個(gè)靜止數(shù)碼照相機(jī)類(lèi)別，最新型 號(hào)的照相機(jī)大多同時(shí)集成了視頻攝像的功能， 甚至數(shù)碼單反照相機(jī)大多都集成了HD1080 高清晰度的視頻攝

6、像功能，因?yàn)榧嫒菀曨l功能對(duì)于 CMOS圖像傳感 器而言是輕而易舉的。實(shí)際上靜止圖像照相的方法還可以應(yīng)用在許多特殊的領(lǐng)域，在軍事、科學(xué)研 究、醫(yī)學(xué)、教育、交通管理和工業(yè)過(guò)程控制等方面發(fā)揮重要的作用。用于 X射線成像的CMOS傳感器就是許多特殊應(yīng)用的例子之一， X射線是直線傳播的，不能用光學(xué)透鏡成像。在CMOS傳感器陣列平面上涂敷一層能把 X射線能量轉(zhuǎn)換到可見(jiàn)光的材料，就可以實(shí)現(xiàn) X射線直接成像，得到的圖像信息可以直接輸入到微電腦中存儲(chǔ)、顯示和處理。最初小尺寸X射線CMOS圖像傳感器的數(shù)字 成像，被應(yīng)用到牙科醫(yī)生為患者作牙齒檢查，或用于小尺寸工業(yè)產(chǎn)品裂紋的檢查。當(dāng)制造出尺寸達(dá)到200mm 以上的晶

7、元級(jí)X射線CMOS成像陣列以后，在醫(yī)學(xué)上就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)骨骼和器官的 X射線檢查，以及檢查更大尺寸物品的微小細(xì)節(jié)。因?yàn)閄射線CMOS傳感器陣列的靈敏度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的膠片， 所以在醫(yī)學(xué)領(lǐng) 域射線輻射的能量可以減小到原來(lái)的幾十分之一，大幅度降低輻射對(duì)病人和醫(yī)生 的人體危害。不論CMOS傳感器陣列的尺寸有多大，其像素尺寸都是微米數(shù)量級(jí)的，所以成像細(xì)節(jié)的分辨力可以輕易達(dá)到 10pm 數(shù)量級(jí)，再經(jīng)過(guò)數(shù)字圖像信 號(hào)處理，可以輕易發(fā)現(xiàn)原來(lái)在膠片上難以分辨的微小裂紋和組織。移動(dòng)通信和便攜設(shè)備的攝像功能從簡(jiǎn)單功能的移動(dòng)電話手機(jī)，到當(dāng)前一代代不斷更新的網(wǎng)絡(luò)通信智能手機(jī)和 平板電腦，它們的照相功能都是用 CMOS圖像傳感

8、器實(shí)現(xiàn)的。因?yàn)樵谶@些小型 便攜設(shè)備中，攝像功能結(jié)構(gòu)的微型化、芯片周邊電路的簡(jiǎn)單化、低功耗、多功能 和高度集成要求，使CCD圖像傳感器從最早期的手機(jī)照相功能方案時(shí)就已經(jīng)退出了競(jìng)爭(zhēng)，而CMOS圖像傳感器成為設(shè)計(jì)方案的唯一選項(xiàng)。在這類(lèi)應(yīng)用中，一個(gè)CMOS圖像傳感器的單芯片不但包括像素陣列和模數(shù)轉(zhuǎn)換器，而且把數(shù)字信號(hào)處理器也集成在芯片上，形成一個(gè)單片集成系統(tǒng) SoC,從芯片直接輸出供顯 示、傳輸和通信的數(shù)字圖像信息標(biāo)準(zhǔn)編碼格式。便攜設(shè)備越來(lái)越薄的厚度要求使光學(xué)透鏡的直徑和焦距必須減小到幾毫米的數(shù)量級(jí)， 這樣一來(lái)傳感器陣列的成像 面尺寸都必須相應(yīng)減小，像素尺寸被要求達(dá)到接近1pm 水平，當(dāng)今先進(jìn)的CMO

9、S圖像傳感器都能很好地滿足這些苛刻的技術(shù)要求。高清晰度數(shù)字電影攝像技術(shù)雖然在HD1080 高清電視攝像領(lǐng)域，CCD圖像傳感器還能占據(jù)一定的份 額，但在4K以上的高清晰度數(shù)字電影攝像領(lǐng)域，只有 CMOS圖像傳感器才能 全面滿足要求。高清電視 HDTV的圖像寬高比被定義在16 ：9,即1.778 , 像素?cái)?shù)為1920X 1080。這個(gè)畫(huà)面寬高比例還遠(yuǎn)不能滿足電影制作者們的藝術(shù)風(fēng)格要求，電影攝制要求的寬銀幕畫(huà)面寬高比還有2、2.33和2.44等。在數(shù)字電影領(lǐng)域通常用圖像畫(huà)面在水平方向像素?cái)?shù)的1024 整倍數(shù)nK來(lái)表達(dá)描述數(shù)字電影圖像的信息量。比如，高清電視HDTV標(biāo)準(zhǔn)的水平1920 像素，實(shí)際 上還

10、略低于2K數(shù)字電影格式。用于高清晰度數(shù)字影院的 CMOS圖像傳感器像 素?cái)?shù)見(jiàn)表1.1 ,其中寬高比1.5是傳統(tǒng)非寬銀幕膠片電影的規(guī)格，而2.0 2.33 和2.44是寬銀幕電影常用的寬高比，在表中與它們相對(duì)比的是1080 行的高 清電視HDTV標(biāo)準(zhǔn)表1.1高清晰度數(shù)字影院圖像的像素?cái)?shù)格】1.5L78(16 ： 9)2.02332.44HI)1920*10802K2048虱13662048*11522048x10242048*8792048x8394K4(19627314g6 m 3。440叱2。4區(qū)4096x17584096 7 6R8K8192x54628192x46088193 4U96319245168192x335716K16384宜1092316384x92161632819216384K703216384*6715高清晰度電影的圖像顯示刷新速率也采用接近傳統(tǒng)電影膠片的每秒24格標(biāo)準(zhǔn)，但是高速攝像的信號(hào)在常速播放時(shí)，往往可以產(chǎn)生震撼的超視覺(jué)畫(huà)面。采用 CMOS圖像傳感器的攝像設(shè)備可以達(dá)到 120400幀每秒刷新率的圖像，這 樣一來(lái)像素陣列的圖像數(shù)據(jù)刷新和傳輸速度要求往往達(dá)到每秒吉比特（Gbps）水平，只能采用CMOS圖像傳感器，同時(shí)集成當(dāng)前最高的數(shù)據(jù)傳