圖像傳感器課件

圖像傳感器

(CMOS和CCD圖像傳感器)圖像傳感器

(CMOS和CCD圖像傳感器)1一、CMOS/CCD圖像傳感器的工作原理

無(wú)論是CCD還是CMOS，它們都采用感光元件作為影像捕獲的基本手段，CCD/CMOS感光元件的核心都是一個(gè)感光二極管（photodiode），該二極管在接受光線(xiàn)照射之后能夠產(chǎn)生輸出電流，而電流的強(qiáng)度則與光照的強(qiáng)度對(duì)應(yīng)。但在周邊組成上，CCD的感光元件與CMOS的感光元件并不相同，前者的感光元件除了感光二極管之外，包括一個(gè)用于控制相鄰電荷的存儲(chǔ)單元，感光二極管占據(jù)了絕大多數(shù)面積—換一種說(shuō)法就是，CCD感光元件中的有效感光面積較大，在同等條件下可接收到較強(qiáng)的光信號(hào)，對(duì)應(yīng)的輸出電信號(hào)也更明晰。而CMOS感光元件的構(gòu)成就比較一、CMOS/CCD圖像傳感器的工作原理2

復(fù)雜，除處于核心地位的感光二極管之外，它還包括放大器與模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，每個(gè)像點(diǎn)的構(gòu)成為一個(gè)感光二極管和三顆晶體管，而感光二極管占據(jù)的面積只是整個(gè)元件的一小部分，造成CMOS傳感器的開(kāi)口率遠(yuǎn)低于CCD（開(kāi)口率：有效感光區(qū)域與整個(gè)感光元件的面積比值）；這樣在接受同等光照及元件大小相同的情況下，CMOS感光元件所能捕捉到的光信號(hào)就明顯小于CCD元件，靈敏度較低；體現(xiàn)在輸出結(jié)果上，就是CMOS傳感器捕捉到的圖像內(nèi)容不如CCD傳感器來(lái)得豐富，圖像細(xì)節(jié)丟失情況嚴(yán)重且噪聲明顯，這也是早期CMOS傳感器只能用于低端場(chǎng)合的一大復(fù)雜，除處于核心地位的感光二極管之外，它還包括放大器3

原因。CMOS開(kāi)口率低造成的另一個(gè)麻煩在于，它的像素點(diǎn)密度無(wú)法做到媲美CCD的地步，因?yàn)殡S著密度的提高，感光元件的比重面積將因此縮小，而CMOS開(kāi)口率太低，有效感光區(qū)域小得可憐，圖像細(xì)節(jié)丟失情況會(huì)愈為嚴(yán)重。因此在傳感器尺寸相同的前提下，CCD的像素規(guī)?？偸歉哂谕瑫r(shí)期的CMOS傳感器，這也是CMOS長(zhǎng)期以來(lái)都未能進(jìn)入主流數(shù)碼相機(jī)市場(chǎng)的重要原因之一。每個(gè)感光元件對(duì)應(yīng)圖像傳感器中的一個(gè)像點(diǎn)，由于感光元件只能感應(yīng)光的強(qiáng)度，無(wú)法捕獲色彩信息，因此必須在感光元件上方覆蓋彩色濾光片。在這方面，不同的傳感器廠(chǎng)商有不同的解決方案，原因。CMOS開(kāi)口率低造成的另一個(gè)麻煩在于，它的像素點(diǎn)4

最常用的做法是覆蓋RGB紅綠藍(lán)三色濾光片，以1：2：1的構(gòu)成由四個(gè)像點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)彩色像素（即紅藍(lán)濾光片分別覆蓋一個(gè)像點(diǎn)，剩下的兩個(gè)像點(diǎn)都覆蓋綠色濾光片），采取這種比例的原因是人眼對(duì)綠色較為敏感。而索尼的四色CCD技術(shù)則將其中的一個(gè)綠色濾光片換為翡翠綠色（英文Emerald，有些媒體稱(chēng)為E通道），由此組成新的R、G、B、E四色方案。不管是哪一種技術(shù)方案，都要四個(gè)像點(diǎn)才能夠構(gòu)成一個(gè)彩色像素，這一點(diǎn)大家務(wù)必要預(yù)先明確。在接受光照之后，感光元件產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的電流，電流大小與光強(qiáng)對(duì)應(yīng)，因此感光元件直接輸出的電信號(hào)是模擬的。在CCD傳感器中，每一個(gè)感光元件都不對(duì)此作進(jìn)一步的處理，而是將它直接輸出到下一個(gè)感光元件的存儲(chǔ)單元，結(jié)合該元最常用的做法是覆蓋RGB紅綠藍(lán)三色濾光片，以1：5

件生成的模擬信號(hào)后再輸出給第三個(gè)感光元件，依次類(lèi)推，直到結(jié)合最后一個(gè)感光元件的信號(hào)才能形成統(tǒng)一的輸出。由于感光元件生成的電信號(hào)實(shí)在太微弱了，無(wú)法直接進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換工作，因此這些輸出數(shù)據(jù)必須做統(tǒng)一的放大處理—這項(xiàng)任務(wù)是由CCD傳感器中的放大器專(zhuān)門(mén)負(fù)責(zé)，經(jīng)放大器處理之后，每個(gè)像點(diǎn)的電信號(hào)強(qiáng)度都獲得同樣幅度的增大；但由于CCD本身無(wú)法將模擬信號(hào)直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，因此還需要一個(gè)專(zhuān)門(mén)的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行處理，最終以二進(jìn)制數(shù)字圖像矩陣的形式輸出給專(zhuān)門(mén)的DSP處理芯片。而對(duì)于CMOS傳感器，上述工作流程就完全不適用了。CMOS傳感器中一個(gè)感光元件都直接整合了放大件生成的模擬信號(hào)后再輸出給第三個(gè)感光元件，依次類(lèi)推6

器和模數(shù)轉(zhuǎn)換邏輯，當(dāng)感光二極管接受光照、產(chǎn)生模擬的電信號(hào)之后，電信號(hào)首先被該感光元件中的放大器放大，然后直接轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)。換句話(huà)說(shuō)，在CMOS傳感器中，每一個(gè)感光元件都可產(chǎn)生最終的數(shù)字輸出，所得數(shù)字信號(hào)合并之后被直接送交DSP芯片處理—問(wèn)題恰恰是發(fā)生在這里，CMOS感光元件中的放大器屬于模擬器件，無(wú)法保證每個(gè)像點(diǎn)的放大率都保持嚴(yán)格一致，致使放大后的圖像數(shù)據(jù)無(wú)法代表拍攝物體的原貌—體現(xiàn)在最終的輸出結(jié)果上，就是圖像中出現(xiàn)大量的噪聲，品質(zhì)明顯低于CCD傳感器。器和模數(shù)轉(zhuǎn)換邏輯，當(dāng)感光二極管接受光照、產(chǎn)生模擬的電信7二、Ccd與cmos簡(jiǎn)介CCD：電荷藕合器件圖像傳感器CCD（ChargeCoupledDevice），它使用一種高感光度的半導(dǎo)體材料制成，能把光線(xiàn)轉(zhuǎn)變成電荷，通過(guò)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(guò)壓縮以后由相機(jī)內(nèi)部的閃速存儲(chǔ)器或內(nèi)置硬盤(pán)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(lái)修改圖像。CCD由許多感光單位組成，通常以百萬(wàn)像素為單位。當(dāng)CCD表面受到光線(xiàn)照射時(shí)，每個(gè)感光單位會(huì)將電荷反映在組件上，所有的感光單位所產(chǎn)生的信號(hào)加在一起，就構(gòu)成了一幅完整的畫(huà)面。二、Ccd與cmos簡(jiǎn)介CCD：電荷藕合器件圖像傳感器CC8CMOS：互補(bǔ)性氧化金屬半導(dǎo)體CMOS（ComplementaryMetal-OxideSemiconductor）和CCD一樣同為在數(shù)碼相機(jī)中可記錄光線(xiàn)變化的半導(dǎo)體。CMOS的制造技術(shù)和一般計(jì)算機(jī)芯片沒(méi)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：互補(bǔ)性氧化金屬半導(dǎo)體CMOS（Complement9三、CCD與cmos的區(qū)別

1.靈敏度差異：由于CMOS傳感器的每個(gè)象素由四個(gè)晶體管與一個(gè)感光二極管構(gòu)成(含放大器與A/D轉(zhuǎn)換電路)，使得每個(gè)象素的感光區(qū)域遠(yuǎn)小于象素本身的表面積，因此在象素尺寸相同的情況下，CMOS傳感器的靈敏度要低于CCD傳感器。。

三、CCD與cmos的區(qū)別

1.靈敏度差異：由于CMOS傳10

2.成本差異：由于CMOS傳感器采用一般半導(dǎo)體電路最常用的CMOS工藝，可以輕易地將周邊電路(如AGC、CDS、Timinggenerator、或DSP等)集成到傳感器芯片中，因此可以節(jié)省外圍芯片的成本；除此之外，由于CCD采用電荷傳遞的方式傳送數(shù)據(jù)，只要其中有一個(gè)象素不能運(yùn)行，就會(huì)導(dǎo)致一整排的數(shù)據(jù)不能傳送，因此控制CCD傳感器的成品率比CMOS傳感器困難許多，即使有經(jīng)驗(yàn)的廠(chǎng)商也很難在產(chǎn)品問(wèn)世的半年內(nèi)突破50%的水平，因此，CCD傳感器的成本會(huì)高于CMOS傳感器。2.成本差異：由于CMOS傳感器采用一般半導(dǎo)體電路最常用11

3.分辨率差異：如上所述，CMOS傳感器的每個(gè)象素都比CCD傳感器復(fù)雜，其象素尺寸很難達(dá)到CCD傳感器的水平，因此，當(dāng)我們比較相同尺寸的CCD與CMOS傳感器時(shí)，CCD傳感器的分辨率通常會(huì)優(yōu)于CMOS傳感器的水平。例如，目前市面上CMOS傳感器最高可達(dá)到210萬(wàn)象素的水平(OmniVision的OV2610，2002年6月推出)，其尺寸為1/2英寸，象素尺寸為4.25μm，但Sony在2002年12月推出了ICX452，其尺寸與OV2610相差不多(1/1.8英寸)，但分辨率卻能高達(dá)513萬(wàn)象素，象素尺寸也只有2.78mm的水平。3.分辨率差異：如上所述，CMOS傳感器的每個(gè)象素都比124.噪聲差異：由于CMOS傳感器的每個(gè)感光二極管都需搭配一個(gè)放大器，而放大器屬于模擬電路，很難讓每個(gè)放大器所得到的結(jié)果保持一致，因此與只有一個(gè)放大器放在芯片邊緣的CCD傳感器相比，CMOS傳感器的噪聲就會(huì)增加很多，影響圖像品質(zhì)。4.噪聲差異：由于CMOS傳感器的每個(gè)感光二極管都需搭配一135.功耗差異：CMOS傳感器的圖像采集方式為主動(dòng)式，感光二極管所產(chǎn)生的電荷會(huì)直接由晶體管放大輸出，但CCD傳感器為被動(dòng)式采集，需外加電壓讓每個(gè)象素中的電荷移動(dòng)，而此外加電壓通常需要達(dá)到12~18V；因此，CCD傳感器除了在電源管理電路設(shè)計(jì)上的難度更高之外(需外加powerIC)，高驅(qū)動(dòng)電壓更使其功耗遠(yuǎn)高于CMOS傳感器的水平。5.功耗差異：CMOS傳感器的圖像采集方式為主動(dòng)式，感光二極14綜上所述，CCD傳感器在靈敏度、分辨率、噪聲控制等方面都優(yōu)于CMOS傳感器，而CMOS傳感器則具有低成本、低功耗、以及高整合度的特點(diǎn)。不過(guò)，隨著CCD與CMOS傳感器技術(shù)的進(jìn)步，兩者的差異有逐漸縮小的態(tài)勢(shì)，例如，CCD傳感器一直在功耗上作改進(jìn)，以應(yīng)用于移動(dòng)通信市場(chǎng)(這方面的代表業(yè)者為Sanyo)；CMOS傳感器則在改善分辨率與靈敏度方面的不足，以應(yīng)用于更高端的圖像產(chǎn)品。綜上所述，CCD傳感器在靈敏度、分辨率、噪聲控制等方面都優(yōu)于15CCD的優(yōu)勢(shì)在于成像質(zhì)量好，但是由于制造工藝復(fù)雜，只有少數(shù)的廠(chǎng)商能夠掌握，所以導(dǎo)致制造成本居高不下，特別是大型CCD，價(jià)格非常高昂。在相同分辨率下，CMOS價(jià)格比CCD便宜，但是CMOS器件產(chǎn)生的圖像質(zhì)量相比CCD來(lái)說(shuō)要低一些。到目前為止，市面上絕大多數(shù)的消費(fèi)級(jí)別以及高端數(shù)碼相機(jī)都使用CCD作為感應(yīng)器；CMOS感應(yīng)器則作為低端產(chǎn)品應(yīng)用于一些攝像頭上，若有哪家攝像頭廠(chǎng)商生產(chǎn)的攝想頭使用CCD感應(yīng)器，廠(chǎng)商一定會(huì)不遺余力地以其作為賣(mài)點(diǎn)大肆宣傳，甚至冠以“數(shù)碼相機(jī)”之名。一時(shí)間，是否具有CCD感應(yīng)器變成了人們判斷數(shù)碼相機(jī)檔次的標(biāo)準(zhǔn)之一。

CCD的優(yōu)勢(shì)在于成像質(zhì)量好，但是由于制造工藝復(fù)雜，只有少數(shù)的16CMOS影像傳感器的優(yōu)點(diǎn)之一是電源消耗量比CCD低，CCD為提供優(yōu)異的影像品質(zhì)，付出代價(jià)即是較高的電源消耗量，為使電荷傳輸順暢，噪聲降低，需由高壓差改善傳輸效果。但CMOS影像傳感器將每一畫(huà)素的電荷轉(zhuǎn)換成電壓，讀取前便將其放大，利用3.3V的電源即可驅(qū)動(dòng)，電源消耗量比CCD低。CMOS影像傳感器的另一優(yōu)點(diǎn)，是與周邊電路的整合性高，可將ADC與訊號(hào)處理器整合在一起，使體積大幅縮小。CMOS影像傳感器的優(yōu)點(diǎn)之一是電源消耗量比CCD低，CCD為17四、傳感器發(fā)展歷史圖像傳感器的歷史可以說(shuō)非常的悠久：早在1873年，當(dāng)時(shí)科學(xué)家約瑟·美(JosephMay)及偉洛比·史密夫(WilloughbySmith)就發(fā)現(xiàn)了硒元素結(jié)晶體感光后能產(chǎn)生電流，這是電子影像發(fā)展的開(kāi)始。以后陸續(xù)有組織和學(xué)者研究電子影像，發(fā)明了幾種不同類(lèi)型的圖像傳感器。其中重要的發(fā)明有20世紀(jì)50年代誕生的光學(xué)倍增管(PhotoMultiplierTube，簡(jiǎn)稱(chēng)PMT)和70年代出現(xiàn)的電荷耦合裝置(ChargeCoupledDevice，簡(jiǎn)稱(chēng)CCD)。四、傳感器發(fā)展歷史圖像傳感器的歷史可以說(shuō)非常的悠久：早在181820世紀(jì)末，又有三種新型的圖像傳感器問(wèn)世了，它們分別是互補(bǔ)氧化金屬半導(dǎo)體(ComplementaryMetalOxideSemiconductor，簡(jiǎn)稱(chēng)CMOS)、接觸式圖像傳感器(ContactlmageSensor，簡(jiǎn)稱(chēng)CIS)和LBCAST傳感器系統(tǒng)(LateralBuriedChargeAccumulator,SensingTransistorArray)。20世紀(jì)末，又有三種新型的圖像傳感器問(wèn)世了，它們分別是互補(bǔ)氧19

1、PMTPMT是最早出現(xiàn)的圖像傳感器，從五十年代發(fā)展到現(xiàn)在，技術(shù)已經(jīng)非常成熟，是目前性能最好的傳感器。它就像一個(gè)圓柱體小燈泡，直徑約一寸，長(zhǎng)度約二寸；內(nèi)置多個(gè)電極，將進(jìn)入的光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，即使很微弱的光線(xiàn)也可準(zhǔn)確補(bǔ)捉。其最高動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)4.2，相對(duì)于其它類(lèi)型只能達(dá)到3.2-3.6的傳感器，PMT要?jiǎng)俪霾簧?；而且它非常耐用，可以運(yùn)作十萬(wàn)小時(shí)以上。但是由于其造價(jià)相當(dāng)高，只能應(yīng)用于專(zhuān)業(yè)的印刷、出版業(yè)掃描儀及工程分析。類(lèi)似小燈泡的傳感器“PMT”

1、PMT202、CCDCCD是美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室于1969年發(fā)明的，與電腦晶片CMOS技術(shù)相似，也可作電腦記憶體及邏輯運(yùn)作晶片。CCD是一種特殊的半導(dǎo)體材料，由大量獨(dú)立的感光二極管組成，一般這些感光二極管按照矩陣形式排列(富士公司的SuperCCD除外)。CCD的感光能力比PMT低，但近年來(lái)CCD技術(shù)有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，又由于CCD的體積小、造價(jià)低，所以廣泛應(yīng)用于掃描儀、數(shù)碼相機(jī)及數(shù)碼攝像機(jī)中。目前大多數(shù)數(shù)碼相機(jī)采用的圖像傳感器都是CCD。2、CCD213、cmosCMOS技術(shù)已發(fā)展了數(shù)十年，CPU和內(nèi)存便是由CMOS組成。但直到1998年它才被用于制作圖像傳感器。CMOS的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比CCD簡(jiǎn)單，耗電量只有普通CCD的1/3左右，而且制造成本比CCD要低。自從佳能公司在專(zhuān)業(yè)數(shù)碼單反相機(jī)EOSD30中采用了CMOS以來(lái)，已經(jīng)有越來(lái)越多的數(shù)碼單反相機(jī)使用它，目前數(shù)碼單反相機(jī)中幾乎有一半采用CMOS作為圖像傳感器。3、cmos22一、ＣＣＤ圖像傳感器ＣＣＤ（ChargedCoupledDevice）于１９６９年在貝爾試驗(yàn)室研制成功，之后由日商等公司開(kāi)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(wàn)像素已經(jīng)發(fā)展至目前主流應(yīng)用的５００萬(wàn)像素。ＣＣＤ又可分為線(xiàn)型（Linear）與面型（Area）兩種，其中線(xiàn)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。五、圖像傳感器發(fā)展現(xiàn)狀一、ＣＣＤ圖像傳感器五、圖像傳感器發(fā)展現(xiàn)狀23

ＣＣＤ傳感器的優(yōu)點(diǎn)：

高解析度（HighResolution）低雜訊（LowNoise）高敏感度動(dòng)態(tài)范圍廣（HighDynamicRange）良好的線(xiàn)性特性曲線(xiàn)（Linearity）高光子轉(zhuǎn)換效率（HighQuantumEfficiency）大面積感光（LargeFieldofView）光譜響應(yīng)廣（BroadSpectralResponse）低影像失真（LowImageDistortion）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)上低耗電力，不受強(qiáng)電磁場(chǎng)影響電荷傳輸效率佳：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ＣＣＤ傳感器的優(yōu)點(diǎn)：高解析度（HighResolu24二、ＣＭＯＳ圖像傳感器ＣＭＯＳ圖像傳感器于８０年代發(fā)明以來(lái)，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(kāi)始非常的廣泛，包括數(shù)碼相機(jī)、PCCamera、影像電話(huà)、第三代手機(jī)、視訊會(huì)議、智能型保全系統(tǒng)、汽車(chē)倒車(chē)?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(huà)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（PassivePixelSensorCMOS）與主動(dòng)式像素傳感器ＣＭＯＳ（ActivePixelSensorCMOS）。二、ＣＭＯＳ圖像傳感器25ＣＭＯＳ圖像傳感器屬于新興產(chǎn)品市場(chǎng)，其市場(chǎng)占有率變化不如成熟產(chǎn)業(yè)那般恒常不變，例如在１９９９年時(shí)，ＣＭＯＳ市場(chǎng)中，按照出貨比例排名依序?yàn)锳gilent、OmniVision、STM和Hyundai，其市場(chǎng)占有率分別為２４％、２２％、１４％和１４％，其中ＳＴＭ是歐洲廠(chǎng)商，Ｈｙｕｎｄａｉ是韓國(guó)廠(chǎng)商；但只經(jīng)過(guò)一年后的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，Agilent和OmniVision出貨排名順序仍然分居一、二，且市場(chǎng)占有率分別提升到３７.７％和３０.８％，而STM落居第四，市場(chǎng)占有率大幅滑落至４.８％，至于Ｈｙｕｎｄａｉ更是大幅衰退只剩２.１％的市場(chǎng)占有率，值得一提的是Ｐｈｏｔｏｂｉ在２０００年度的大幅成長(zhǎng)，全球市場(chǎng)占有率快速成長(zhǎng)至１３.７％，排名全球第三。這三家廠(chǎng)商出貨量就占全球出貨量的８２.２％。從中可以分析，這個(gè)產(chǎn)業(yè)的廠(chǎng)商集中度相當(dāng)密集，所以觀(guān)察上述三家廠(chǎng)商的近期動(dòng)態(tài)和發(fā)展，可看出許產(chǎn)業(yè)和技術(shù)未來(lái)發(fā)展方向。ＣＭＯＳ圖像傳感器屬于新興產(chǎn)品市場(chǎng)，其市場(chǎng)占有率變化不如成26國(guó)外CMOS圖像傳感器發(fā)展現(xiàn)狀

由于CMOS工藝的成熟和固體圖像傳感器技術(shù)的研究成果，CMOS圖像傳感器發(fā)展很快，國(guó)外各大公司和科研機(jī)構(gòu)已經(jīng)開(kāi)發(fā)出多種類(lèi)型的CMOS圖像傳感器和以CMOS圖像傳感器為核心的攝像系統(tǒng)。低分辨率的有Pinkhill公司生產(chǎn)的廣泛應(yīng)用于娛樂(lè)和玩具行業(yè)的CMOS圖像傳感器芯片、英國(guó)VLSIVision公司生產(chǎn)的用于兒童娛樂(lè)時(shí)即時(shí)拍照的新概念相機(jī)、韓國(guó)漢城國(guó)立大學(xué)電子工程學(xué)院集成系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室利用64×256像素CMOS圖像傳感器陣列開(kāi)發(fā)的指紋識(shí)別系統(tǒng)等。在中、高分辨率應(yīng)用領(lǐng)域中，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室研制的256×256元CMOS有源像素傳感器（CMOS-APS）的像素尺寸為20μm×20μm，在單一5V電壓下工作，動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)72dB，英國(guó)VLSI公司生產(chǎn)的785×586像素CMOS圖像傳感器，美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室為國(guó)家航空和宇宙航空局設(shè)計(jì)制造了用于彩色相機(jī)的1024×1024像素CMOS-APS。美國(guó)斯坦福大學(xué)電子工程系信息系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室采用0.35μm、4層金屬、單層多晶硅n阱CMOS工藝研制出了具有寬動(dòng)態(tài)范圍的640×512像素CMOS-APS。像素尺寸為10.5μm×10.5μm，填充系數(shù)為29%，電源電壓為33V，暗電流為160pA/cm2，靈敏度為5.1mV/e-，動(dòng)態(tài)范圍為655536：1，最大幀速為250幀/秒。國(guó)外CMOS圖像傳感器發(fā)展現(xiàn)狀由于CMOS工藝的成熟和固體27.國(guó)內(nèi)CMOS圖像傳感器研制狀況在國(guó)內(nèi)，西安交通大學(xué)、浙江大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、中國(guó)紡織大學(xué)、重慶大學(xué)、臺(tái)灣大學(xué)、文嘩科技香港有限公司等單位都開(kāi)展了CMOS圖像傳感器的研制和應(yīng)用開(kāi)發(fā)工作，并取得了較大的進(jìn)展。西安交通大學(xué)開(kāi)元微電子科技有限公司使用美國(guó)CompassDesignAutomation公司的EDA軟件開(kāi)發(fā)出一系列CMOS單片攝像機(jī)ASIC芯片M-10、M-20A、M-20B、M-20C。器件的分辨率、穩(wěn)定性、信噪比都比目前進(jìn)口芯片有較大改善，并且在集成度方面有了進(jìn)一步提高。用上述CMOS單片攝像機(jī)ASIC芯片M10組裝成的微型攝像頭是綜合國(guó)際90年代視覺(jué)技術(shù)的新一代CMOS攝像器件。微型攝像頭可輸出PAL制黑白圖像全電視信號(hào)，直接在顯示器（監(jiān)視器、電視機(jī)等）上顯示。也可以作為計(jì)算機(jī)多媒體應(yīng)用的圖像輸入部件，并能通過(guò)錄像機(jī)錄下圖像。.國(guó)內(nèi)CMOS圖像傳感器研制狀況在國(guó)內(nèi)，西安交通大學(xué)、浙江28單片CMOS攝像機(jī)ASIC芯片M10集成了攝像器件的所有功能，包括1/3英寸CMOS圖像傳感器陣列、掃描讀出電路、放大電路、全電視信號(hào)產(chǎn)生電路等。M10還具有自動(dòng)曝光控制、自動(dòng)增益控制和黑白電平自動(dòng)校正等功能。用M10組裝成的UP-10微型攝像頭與傳統(tǒng)的CCD攝像頭相比，在體積、功耗與價(jià)格上占有很大的優(yōu)勢(shì)。UR-10微型攝像頭最突出的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)人眼不可見(jiàn)的紅外光特別敏感，例如一個(gè)點(diǎn)燃的煙頭及紅外線(xiàn)遙控器的發(fā)射光，對(duì)著攝像鏡頭則顯示屏就會(huì)出現(xiàn)很強(qiáng)的自光，白天或黑夜都沒(méi)有什么區(qū)別，對(duì)于防盜監(jiān)控來(lái)講，甚為適宜。可以利用紅外光源照射被監(jiān)視區(qū)域，即使在伸手不見(jiàn)五指的黑夜，也能讓盜賊無(wú)所遁形。該微型攝像頭可廣泛應(yīng)用于工廠(chǎng)、學(xué)校、礦區(qū)、住宅區(qū)、港口、工地、庫(kù)房、家庭、別墅、果場(chǎng)、養(yǎng)殖場(chǎng)、超級(jí)市場(chǎng)、銀行、交通、多媒體電腦等場(chǎng)合。開(kāi)元微電子科技有限公司己研制出369×287，768×574，640×480和512×512像元CMOS圖像傳感器，并用這些器件開(kāi)發(fā)成功了M-X型系列CMOS微型攝像機(jī)。單片CMOS攝像機(jī)ASIC芯片M10集成了攝像器件的所有功能29

六、

應(yīng)用及市場(chǎng)前景

CMOS圖像傳感器是信息獲取與處理領(lǐng)域里圖像處理技術(shù)中最重要的一部分，是PC機(jī)多媒體大世界今后不可缺少的外設(shè)，也是保安監(jiān)控產(chǎn)業(yè)中最核心的器件。在知識(shí)經(jīng)濟(jì)和信息社會(huì)已經(jīng)到來(lái)的今天，它在我們的社會(huì)生活和個(gè)人生活中會(huì)有數(shù)不勝數(shù)的應(yīng)用。CMOS圖像傳感器比CCD圖像傳感器功耗更低，而且體積也可以進(jìn)一步縮小，能大批量生產(chǎn)、低噪聲，寬動(dòng)態(tài)范圍，寬光譜靈敏度，體積小，價(jià)格便宜，容易實(shí)現(xiàn)商品化，適用于超微型數(shù)碼相機(jī)、便攜式可視電話(huà)、PC機(jī)電腦眼、可視門(mén)鈴、掃描儀、攝像機(jī)、安防監(jiān)控、汽車(chē)防盜、機(jī)器視覺(jué)、車(chē)載電話(huà)、指紋識(shí)別等圖像領(lǐng)域。六、應(yīng)用及市場(chǎng)前景30目前我國(guó)可視門(mén)鈴或可視電話(huà)都是CCD非隱蔽式的，隨著治安要求的不斷提高，為確保門(mén)外或室內(nèi)外的攝像系統(tǒng)不被破壞，在室內(nèi)外發(fā)展隱蔽式攝像系統(tǒng)將成為家用消費(fèi)系統(tǒng)的主流與趨勢(shì)。CMOS圖像傳感器功耗小，配以高效可充電電池，即使全天候工作，也不會(huì)引起電路過(guò)熱，導(dǎo)致圖像質(zhì)量變差。CMOS圖像傳感器芯片還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，光譜敏感范圍在近紅外光波段比可見(jiàn)光的靈敏度高出5~6倍，配以適當(dāng)紅外照明，則有更好的夜視功能，這對(duì)偵破和反犯罪活動(dòng)非常有用。在醫(yī)療領(lǐng)域，可將CMOS圖像傳感器應(yīng)用于一種醫(yī)療X射線(xiàn)機(jī)，該機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是病人所受X射線(xiàn)的劑量較小，比傳統(tǒng)方式的1/100還要低，同時(shí)其形成的數(shù)字圖像不僅比X射線(xiàn)膠片更易保存，而且由于它可以進(jìn)行進(jìn)一步的修改、比較等操作，所以還可以為醫(yī)生進(jìn)行診斷和治療提供幫助。目前我國(guó)可視門(mén)鈴或可視電話(huà)都是CCD非隱蔽式的，隨著治安要求31另外，心臟外科醫(yī)生可在患者胸部安裝一個(gè)超微型CMOS攝像機(jī)（俗稱(chēng)“電子眼”），以便在手術(shù)后監(jiān)視手術(shù)效果，CCD圖像傳感器組裝的攝像機(jī)，由于體積大于CMOS攝像機(jī)就很難實(shí)現(xiàn)這種應(yīng)用。再加上CMOS圖像傳感器耗電量?。ㄍǔＪ荂CD的l/10），成本低（是CCD的1/20），像素缺陷率低（是CCD的1/20）等優(yōu)勢(shì)，只要開(kāi)發(fā)出可以達(dá)到CCD技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域要求的CMOS產(chǎn)品，就可方便地取代CCD圖像傳感器已經(jīng)占領(lǐng)的市場(chǎng)。今后五年內(nèi)，全球CMOS圖像傳感器銷(xiāo)售量將猛增，隨著CMOS圖像傳感器技術(shù)日新月異的進(jìn)步，其應(yīng)用范圍不斷拓寬，全球CMOS圖像傳感器市場(chǎng)銷(xiāo)售量也逐年大幅度增長(zhǎng)。據(jù)美國(guó)國(guó)際市場(chǎng)調(diào)查公司的統(tǒng)計(jì)和預(yù)測(cè)報(bào)告顯示，1997年，全球CMOS圖像傳感器銷(xiāo)售總額為054億美元，1998年增至218億美元：1999年增至10.03億美元。專(zhuān)家們認(rèn)為21世紀(jì)初全球CMOS圖像傳感器市場(chǎng)將會(huì)呈現(xiàn)一派紅紅火火的興旺景象。另外，心臟外科醫(yī)生可在患者胸部安裝一個(gè)超微型CMOS攝像機(jī)（32七、發(fā)展趨勢(shì)

由于CMOS圖像傳感器的集成度高，各像元之間的距離很近，干擾比較嚴(yán)重，噪聲對(duì)成像質(zhì)量影響大，現(xiàn)有CCD圖像傳感器的制作技術(shù)起步早，技術(shù)成熟，成像質(zhì)量相對(duì)CMOS圖像傳感器有一定的優(yōu)勢(shì)。但是存在著成品率低、成本高、藍(lán)光晌應(yīng)差、工藝特殊、不能單片集成、芯片體積較大、電學(xué)功能不夠齊全、有光暈等缺點(diǎn)。CMOS圖像傳感器芯片則克服了這些缺點(diǎn)。CMOS圖像傳感器雖然在發(fā)展初期走過(guò)一段彎路，但后來(lái)隨著亞微米和深亞微米工藝技術(shù)以及CMOS電路消噪技術(shù)的進(jìn)步，采用新工藝和改善相關(guān)雙采樣電路有效降低了固定圖形噪聲，采用微透鏡陣列技術(shù)有效提高了填充系數(shù)，采用針形和掩埋型光敏二極管以及更小只寸的CMOS工藝有效降低了暗電流。目前，CMOS圖像傳感器正朝著高分辨率、高動(dòng)態(tài)范圍、高靈敏度、高幀速、集成化、數(shù)字化、智能化的方向發(fā)展。七、發(fā)展趨勢(shì)由于CMOS圖像傳感器的集成度高，各像33人們主要致力于提高CMOS圖像傳感器，尤其是CMOS-APS的綜合性能，縮小像元只寸，調(diào)整CMOS工藝參數(shù)，將時(shí)鐘和控制電路、信號(hào)處理電路、A/D電路、圖像：壓縮等電路與圖像傳感器陣列完全集成在一起，并制作濾色片和微透鏡陣列，以期實(shí)現(xiàn)低成本、低功耗、高度集成的單芯片成像微系統(tǒng)?，F(xiàn)在，二種階躍的復(fù)位柵電壓技術(shù)能將CMOS-APS的動(dòng)態(tài)范圍提高到90dB以上，而一般CCD的動(dòng)態(tài)范圍則僅為70dB左右。另外，CMOS圖像傳感器具有體積小、功耗低、高集成度、新型USB計(jì)算機(jī)接口、自動(dòng)記時(shí)、隨機(jī)存取、無(wú)損讀取、抗光暈和耐輻射等特點(diǎn)使其有不肯抗拒的廣闊的市場(chǎng)誘惑力和良好的發(fā)展前景。高性能、高分辨率、高幀速工作的CMOS攝像機(jī)己?jiǎn)柺溃珻MOS數(shù)碼相機(jī)、微型和超微型攝像機(jī)己進(jìn)入商品化。隨著數(shù)字電視、可視通信市場(chǎng)的興旺，CMOS圖像傳感器的應(yīng)用前景更加廣闊。人們主要致力于提高CMOS圖像傳感器，尤其是CMOS-APS34八、圖像傳感器的應(yīng)用數(shù)碼相機(jī)與相機(jī)電話(huà)是圖像傳感器的主要應(yīng)用對(duì)象，數(shù)碼相機(jī)通常被劃分為高端(400萬(wàn)象素以上)、中端(330、210萬(wàn)象素)與低端(百萬(wàn)象素以下)三部分，我們認(rèn)為在OV陸續(xù)推出210萬(wàn)、330萬(wàn)象素的產(chǎn)品之后，CMOS圖像傳感器將在市場(chǎng)占有率最大的中端產(chǎn)品方面逐步成長(zhǎng)，這無(wú)疑將對(duì)提高CMOS傳感器的占有率發(fā)揮積極作用。

八、圖像傳感器的應(yīng)用數(shù)碼相機(jī)與相機(jī)電話(huà)是圖像傳感器的主35九、CMOS傳感器仍有以下問(wèn)題需要解決成本問(wèn)題：商家所規(guī)劃的技術(shù)藍(lán)圖顯示，計(jì)劃于2003上半年推出330萬(wàn)象素的CMOS傳感器芯片尺寸為1/2英寸左右，但與目前市面上可見(jiàn)的1/2英寸CCD傳感器相比，其最高分辨率可達(dá)500萬(wàn)象素以上；再者，目前330萬(wàn)象素的CCD傳感器的尺寸已可縮小到1/2.7英寸左右，理論上要推出1/3.2英寸的330萬(wàn)象素CCD也不是一件難事；因此，這些高端的CMOS傳感器在量產(chǎn)初期仍難以在成本上與CCD傳感器競(jìng)爭(zhēng)。圖像品質(zhì)與外圍零部件的配合：根據(jù)下游商家對(duì)220萬(wàn)象素CMOS傳感器評(píng)估的結(jié)果，目前CMOS傳感器的圖像品質(zhì)仍與CCD有相當(dāng)大的差距；除此之外，外圍零部件(如鏡頭)是否能配合高端的CMOS傳感器推出對(duì)應(yīng)產(chǎn)品，也是影響CMOS傳感器普及的重要因素之一。九、CMOS傳感器仍有以下問(wèn)題需要解決成本問(wèn)題：36

相機(jī)電話(huà)

CMOS傳感器被認(rèn)為是相機(jī)電話(huà)的理想解決方案，不過(guò)CCD傳感器在Sanyo的大力推廣下，采用frametransmission的方式來(lái)降低其功耗，反而成為目前日本相機(jī)電話(huà)的主流選擇。相機(jī)電話(huà)CMOS傳感器被認(rèn)為是相機(jī)電話(huà)的理想解決方案，37數(shù)碼相機(jī)數(shù)碼相機(jī)通常被劃分為高端(400萬(wàn)象素以上)、中端(330、210萬(wàn)象素)與低端(百萬(wàn)象素以下)三部分，CMOS圖像傳感器將在市場(chǎng)占有率最大的中端產(chǎn)品方面逐步成長(zhǎng)，這無(wú)疑對(duì)提高CMOS傳感器的占有率發(fā)揮積極作用。數(shù)碼相機(jī)數(shù)碼相機(jī)通常被劃分為高端(400萬(wàn)象素以上)、38

圖像傳感器

(CMOS和CCD圖像傳感器)圖像傳感器

(CMOS和CCD圖像傳感器)39一、CMOS/CCD圖像傳感器的工作原理

無(wú)論是CCD還是CMOS，它們都采用感光元件作為影像捕獲的基本手段，CCD/CMOS感光元件的核心都是一個(gè)感光二極管（photodiode），該二極管在接受光線(xiàn)照射之后能夠產(chǎn)生輸出電流，而電流的強(qiáng)度則與光照的強(qiáng)度對(duì)應(yīng)。但在周邊組成上，CCD的感光元件與CMOS的感光元件并不相同，前者的感光元件除了感光二極管之外，包括一個(gè)用于控制相鄰電荷的存儲(chǔ)單元，感光二極管占據(jù)了絕大多數(shù)面積—換一種說(shuō)法就是，CCD感光元件中的有效感光面積較大，在同等條件下可接收到較強(qiáng)的光信號(hào)，對(duì)應(yīng)的輸出電信號(hào)也更明晰。而CMOS感光元件的構(gòu)成就比較一、CMOS/CCD圖像傳感器的工作原理40

復(fù)雜，除處于核心地位的感光二極管之外，它還包括放大器與模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，每個(gè)像點(diǎn)的構(gòu)成為一個(gè)感光二極管和三顆晶體管，而感光二極管占據(jù)的面積只是整個(gè)元件的一小部分，造成CMOS傳感器的開(kāi)口率遠(yuǎn)低于CCD（開(kāi)口率：有效感光區(qū)域與整個(gè)感光元件的面積比值）；這樣在接受同等光照及元件大小相同的情況下，CMOS感光元件所能捕捉到的光信號(hào)就明顯小于CCD元件，靈敏度較低；體現(xiàn)在輸出結(jié)果上，就是CMOS傳感器捕捉到的圖像內(nèi)容不如CCD傳感器來(lái)得豐富，圖像細(xì)節(jié)丟失情況嚴(yán)重且噪聲明顯，這也是早期CMOS傳感器只能用于低端場(chǎng)合的一大復(fù)雜，除處于核心地位的感光二極管之外，它還包括放大器41

原因。CMOS開(kāi)口率低造成的另一個(gè)麻煩在于，它的像素點(diǎn)密度無(wú)法做到媲美CCD的地步，因?yàn)殡S著密度的提高，感光元件的比重面積將因此縮小，而CMOS開(kāi)口率太低，有效感光區(qū)域小得可憐，圖像細(xì)節(jié)丟失情況會(huì)愈為嚴(yán)重。因此在傳感器尺寸相同的前提下，CCD的像素規(guī)?？偸歉哂谕瑫r(shí)期的CMOS傳感器，這也是CMOS長(zhǎng)期以來(lái)都未能進(jìn)入主流數(shù)碼相機(jī)市場(chǎng)的重要原因之一。每個(gè)感光元件對(duì)應(yīng)圖像傳感器中的一個(gè)像點(diǎn)，由于感光元件只能感應(yīng)光的強(qiáng)度，無(wú)法捕獲色彩信息，因此必須在感光元件上方覆蓋彩色濾光片。在這方面，不同的傳感器廠(chǎng)商有不同的解決方案，原因。CMOS開(kāi)口率低造成的另一個(gè)麻煩在于，它的像素點(diǎn)42

最常用的做法是覆蓋RGB紅綠藍(lán)三色濾光片，以1：2：1的構(gòu)成由四個(gè)像點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)彩色像素（即紅藍(lán)濾光片分別覆蓋一個(gè)像點(diǎn)，剩下的兩個(gè)像點(diǎn)都覆蓋綠色濾光片），采取這種比例的原因是人眼對(duì)綠色較為敏感。而索尼的四色CCD技術(shù)則將其中的一個(gè)綠色濾光片換為翡翠綠色（英文Emerald，有些媒體稱(chēng)為E通道），由此組成新的R、G、B、E四色方案。不管是哪一種技術(shù)方案，都要四個(gè)像點(diǎn)才能夠構(gòu)成一個(gè)彩色像素，這一點(diǎn)大家務(wù)必要預(yù)先明確。在接受光照之后，感光元件產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的電流，電流大小與光強(qiáng)對(duì)應(yīng)，因此感光元件直接輸出的電信號(hào)是模擬的。在CCD傳感器中，每一個(gè)感光元件都不對(duì)此作進(jìn)一步的處理，而是將它直接輸出到下一個(gè)感光元件的存儲(chǔ)單元，結(jié)合該元最常用的做法是覆蓋RGB紅綠藍(lán)三色濾光片，以1：43

件生成的模擬信號(hào)后再輸出給第三個(gè)感光元件，依次類(lèi)推，直到結(jié)合最后一個(gè)感光元件的信號(hào)才能形成統(tǒng)一的輸出。由于感光元件生成的電信號(hào)實(shí)在太微弱了，無(wú)法直接進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換工作，因此這些輸出數(shù)據(jù)必須做統(tǒng)一的放大處理—這項(xiàng)任務(wù)是由CCD傳感器中的放大器專(zhuān)門(mén)負(fù)責(zé)，經(jīng)放大器處理之后，每個(gè)像點(diǎn)的電信號(hào)強(qiáng)度都獲得同樣幅度的增大；但由于CCD本身無(wú)法將模擬信號(hào)直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，因此還需要一個(gè)專(zhuān)門(mén)的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行處理，最終以二進(jìn)制數(shù)字圖像矩陣的形式輸出給專(zhuān)門(mén)的DSP處理芯片。而對(duì)于CMOS傳感器，上述工作流程就完全不適用了。CMOS傳感器中一個(gè)感光元件都直接整合了放大件生成的模擬信號(hào)后再輸出給第三個(gè)感光元件，依次類(lèi)推44

器和模數(shù)轉(zhuǎn)換邏輯，當(dāng)感光二極管接受光照、產(chǎn)生模擬的電信號(hào)之后，電信號(hào)首先被該感光元件中的放大器放大，然后直接轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)。換句話(huà)說(shuō)，在CMOS傳感器中，每一個(gè)感光元件都可產(chǎn)生最終的數(shù)字輸出，所得數(shù)字信號(hào)合并之后被直接送交DSP芯片處理—問(wèn)題恰恰是發(fā)生在這里，CMOS感光元件中的放大器屬于模擬器件，無(wú)法保證每個(gè)像點(diǎn)的放大率都保持嚴(yán)格一致，致使放大后的圖像數(shù)據(jù)無(wú)法代表拍攝物體的原貌—體現(xiàn)在最終的輸出結(jié)果上，就是圖像中出現(xiàn)大量的噪聲，品質(zhì)明顯低于CCD傳感器。器和模數(shù)轉(zhuǎn)換邏輯，當(dāng)感光二極管接受光照、產(chǎn)生模擬的電信45二、Ccd與cmos簡(jiǎn)介CCD：電荷藕合器件圖像傳感器CCD（ChargeCoupledDevice），它使用一種高感光度的半導(dǎo)體材料制成，能把光線(xiàn)轉(zhuǎn)變成電荷，通過(guò)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(guò)壓縮以后由相機(jī)內(nèi)部的閃速存儲(chǔ)器或內(nèi)置硬盤(pán)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(lái)修改圖像。CCD由許多感光單位組成，通常以百萬(wàn)像素為單位。當(dāng)CCD表面受到光線(xiàn)照射時(shí)，每個(gè)感光單位會(huì)將電荷反映在組件上，所有的感光單位所產(chǎn)生的信號(hào)加在一起，就構(gòu)成了一幅完整的畫(huà)面。二、Ccd與cmos簡(jiǎn)介CCD：電荷藕合器件圖像傳感器CC46CMOS：互補(bǔ)性氧化金屬半導(dǎo)體CMOS（ComplementaryMetal-OxideSemiconductor）和CCD一樣同為在數(shù)碼相機(jī)中可記錄光線(xiàn)變化的半導(dǎo)體。CMOS的制造技術(shù)和一般計(jì)算機(jī)芯片沒(méi)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：互補(bǔ)性氧化金屬半導(dǎo)體CMOS（Complement47三、CCD與cmos的區(qū)別

1.靈敏度差異：由于CMOS傳感器的每個(gè)象素由四個(gè)晶體管與一個(gè)感光二極管構(gòu)成(含放大器與A/D轉(zhuǎn)換電路)，使得每個(gè)象素的感光區(qū)域遠(yuǎn)小于象素本身的表面積，因此在象素尺寸相同的情況下，CMOS傳感器的靈敏度要低于CCD傳感器。。

三、CCD與cmos的區(qū)別

1.靈敏度差異：由于CMOS傳48

2.成本差異：由于CMOS傳感器采用一般半導(dǎo)體電路最常用的CMOS工藝，可以輕易地將周邊電路(如AGC、CDS、Timinggenerator、或DSP等)集成到傳感器芯片中，因此可以節(jié)省外圍芯片的成本；除此之外，由于CCD采用電荷傳遞的方式傳送數(shù)據(jù)，只要其中有一個(gè)象素不能運(yùn)行，就會(huì)導(dǎo)致一整排的數(shù)據(jù)不能傳送，因此控制CCD傳感器的成品率比CMOS傳感器困難許多，即使有經(jīng)驗(yàn)的廠(chǎng)商也很難在產(chǎn)品問(wèn)世的半年內(nèi)突破50%的水平，因此，CCD傳感器的成本會(huì)高于CMOS傳感器。2.成本差異：由于CMOS傳感器采用一般半導(dǎo)體電路最常用49

3.分辨率差異：如上所述，CMOS傳感器的每個(gè)象素都比CCD傳感器復(fù)雜，其象素尺寸很難達(dá)到CCD傳感器的水平，因此，當(dāng)我們比較相同尺寸的CCD與CMOS傳感器時(shí)，CCD傳感器的分辨率通常會(huì)優(yōu)于CMOS傳感器的水平。例如，目前市面上CMOS傳感器最高可達(dá)到210萬(wàn)象素的水平(OmniVision的OV2610，2002年6月推出)，其尺寸為1/2英寸，象素尺寸為4.25μm，但Sony在2002年12月推出了ICX452，其尺寸與OV2610相差不多(1/1.8英寸)，但分辨率卻能高達(dá)513萬(wàn)象素，象素尺寸也只有2.78mm的水平。3.分辨率差異：如上所述，CMOS傳感器的每個(gè)象素都比504.噪聲差異：由于CMOS傳感器的每個(gè)感光二極管都需搭配一個(gè)放大器，而放大器屬于模擬電路，很難讓每個(gè)放大器所得到的結(jié)果保持一致，因此與只有一個(gè)放大器放在芯片邊緣的CCD傳感器相比，CMOS傳感器的噪聲就會(huì)增加很多，影響圖像品質(zhì)。4.噪聲差異：由于CMOS傳感器的每個(gè)感光二極管都需搭配一515.功耗差異：CMOS傳感器的圖像采集方式為主動(dòng)式，感光二極管所產(chǎn)生的電荷會(huì)直接由晶體管放大輸出，但CCD傳感器為被動(dòng)式采集，需外加電壓讓每個(gè)象素中的電荷移動(dòng)，而此外加電壓通常需要達(dá)到12~18V；因此，CCD傳感器除了在電源管理電路設(shè)計(jì)上的難度更高之外(需外加powerIC)，高驅(qū)動(dòng)電壓更使其功耗遠(yuǎn)高于CMOS傳感器的水平。5.功耗差異：CMOS傳感器的圖像采集方式為主動(dòng)式，感光二極52綜上所述，CCD傳感器在靈敏度、分辨率、噪聲控制等方面都優(yōu)于CMOS傳感器，而CMOS傳感器則具有低成本、低功耗、以及高整合度的特點(diǎn)。不過(guò)，隨著CCD與CMOS傳感器技術(shù)的進(jìn)步，兩者的差異有逐漸縮小的態(tài)勢(shì)，例如，CCD傳感器一直在功耗上作改進(jìn)，以應(yīng)用于移動(dòng)通信市場(chǎng)(這方面的代表業(yè)者為Sanyo)；CMOS傳感器則在改善分辨率與靈敏度方面的不足，以應(yīng)用于更高端的圖像產(chǎn)品。綜上所述，CCD傳感器在靈敏度、分辨率、噪聲控制等方面都優(yōu)于53CCD的優(yōu)勢(shì)在于成像質(zhì)量好，但是由于制造工藝復(fù)雜，只有少數(shù)的廠(chǎng)商能夠掌握，所以導(dǎo)致制造成本居高不下，特別是大型CCD，價(jià)格非常高昂。在相同分辨率下，CMOS價(jià)格比CCD便宜，但是CMOS器件產(chǎn)生的圖像質(zhì)量相比CCD來(lái)說(shuō)要低一些。到目前為止，市面上絕大多數(shù)的消費(fèi)級(jí)別以及高端數(shù)碼相機(jī)都使用CCD作為感應(yīng)器；CMOS感應(yīng)器則作為低端產(chǎn)品應(yīng)用于一些攝像頭上，若有哪家攝像頭廠(chǎng)商生產(chǎn)的攝想頭使用CCD感應(yīng)器，廠(chǎng)商一定會(huì)不遺余力地以其作為賣(mài)點(diǎn)大肆宣傳，甚至冠以“數(shù)碼相機(jī)”之名。一時(shí)間，是否具有CCD感應(yīng)器變成了人們判斷數(shù)碼相機(jī)檔次的標(biāo)準(zhǔn)之一。

CCD的優(yōu)勢(shì)在于成像質(zhì)量好，但是由于制造工藝復(fù)雜，只有少數(shù)的54CMOS影像傳感器的優(yōu)點(diǎn)之一是電源消耗量比CCD低，CCD為提供優(yōu)異的影像品質(zhì)，付出代價(jià)即是較高的電源消耗量，為使電荷傳輸順暢，噪聲降低，需由高壓差改善傳輸效果。但CMOS影像傳感器將每一畫(huà)素的電荷轉(zhuǎn)換成電壓，讀取前便將其放大，利用3.3V的電源即可驅(qū)動(dòng)，電源消耗量比CCD低。CMOS影像傳感器的另一優(yōu)點(diǎn)，是與周邊電路的整合性高，可將ADC與訊號(hào)處理器整合在一起，使體積大幅縮小。CMOS影像傳感器的優(yōu)點(diǎn)之一是電源消耗量比CCD低，CCD為55四、傳感器發(fā)展歷史圖像傳感器的歷史可以說(shuō)非常的悠久：早在1873年，當(dāng)時(shí)科學(xué)家約瑟·美(JosephMay)及偉洛比·史密夫(WilloughbySmith)就發(fā)現(xiàn)了硒元素結(jié)晶體感光后能產(chǎn)生電流，這是電子影像發(fā)展的開(kāi)始。以后陸續(xù)有組織和學(xué)者研究電子影像，發(fā)明了幾種不同類(lèi)型的圖像傳感器。其中重要的發(fā)明有20世紀(jì)50年代誕生的光學(xué)倍增管(PhotoMultiplierTube，簡(jiǎn)稱(chēng)PMT)和70年代出現(xiàn)的電荷耦合裝置(ChargeCoupledDevice，簡(jiǎn)稱(chēng)CCD)。四、傳感器發(fā)展歷史圖像傳感器的歷史可以說(shuō)非常的悠久：早在185620世紀(jì)末，又有三種新型的圖像傳感器問(wèn)世了，它們分別是互補(bǔ)氧化金屬半導(dǎo)體(ComplementaryMetalOxideSemiconductor，簡(jiǎn)稱(chēng)CMOS)、接觸式圖像傳感器(ContactlmageSensor，簡(jiǎn)稱(chēng)CIS)和LBCAST傳感器系統(tǒng)(LateralBuriedChargeAccumulator,SensingTransistorArray)。20世紀(jì)末，又有三種新型的圖像傳感器問(wèn)世了，它們分別是互補(bǔ)氧57

1、PMTPMT是最早出現(xiàn)的圖像傳感器，從五十年代發(fā)展到現(xiàn)在，技術(shù)已經(jīng)非常成熟，是目前性能最好的傳感器。它就像一個(gè)圓柱體小燈泡，直徑約一寸，長(zhǎng)度約二寸；內(nèi)置多個(gè)電極，將進(jìn)入的光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，即使很微弱的光線(xiàn)也可準(zhǔn)確補(bǔ)捉。其最高動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)4.2，相對(duì)于其它類(lèi)型只能達(dá)到3.2-3.6的傳感器，PMT要?jiǎng)俪霾簧?；而且它非常耐用，可以運(yùn)作十萬(wàn)小時(shí)以上。但是由于其造價(jià)相當(dāng)高，只能應(yīng)用于專(zhuān)業(yè)的印刷、出版業(yè)掃描儀及工程分析。類(lèi)似小燈泡的傳感器“PMT”

1、PMT582、CCDCCD是美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室于1969年發(fā)明的，與電腦晶片CMOS技術(shù)相似，也可作電腦記憶體及邏輯運(yùn)作晶片。CCD是一種特殊的半導(dǎo)體材料，由大量獨(dú)立的感光二極管組成，一般這些感光二極管按照矩陣形式排列(富士公司的SuperCCD除外)。CCD的感光能力比PMT低，但近年來(lái)CCD技術(shù)有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，又由于CCD的體積小、造價(jià)低，所以廣泛應(yīng)用于掃描儀、數(shù)碼相機(jī)及數(shù)碼攝像機(jī)中。目前大多數(shù)數(shù)碼相機(jī)采用的圖像傳感器都是CCD。2、CCD593、cmosCMOS技術(shù)已發(fā)展了數(shù)十年，CPU和內(nèi)存便是由CMOS組成。但直到1998年它才被用于制作圖像傳感器。CMOS的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比CCD簡(jiǎn)單，耗電量只有普通CCD的1/3左右，而且制造成本比CCD要低。自從佳能公司在專(zhuān)業(yè)數(shù)碼單反相機(jī)EOSD30中采用了CMOS以來(lái)，已經(jīng)有越來(lái)越多的數(shù)碼單反相機(jī)使用它，目前數(shù)碼單反相機(jī)中幾乎有一半采用CMOS作為圖像傳感器。3、cmos60一、ＣＣＤ圖像傳感器ＣＣＤ（ChargedCoupledDevice）于１９６９年在貝爾試驗(yàn)室研制成功，之后由日商等公司開(kāi)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(wàn)像素已經(jīng)發(fā)展至目前主流應(yīng)用的５００萬(wàn)像素。ＣＣＤ又可分為線(xiàn)型（Linear）與面型（Area）兩種，其中線(xiàn)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。五、圖像傳感器發(fā)展現(xiàn)狀一、ＣＣＤ圖像傳感器五、圖像傳感器發(fā)展現(xiàn)狀61

ＣＣＤ傳感器的優(yōu)點(diǎn)：

高解析度（HighResolution）低雜訊（LowNoise）高敏感度動(dòng)態(tài)范圍廣（HighDynamicRange）良好的線(xiàn)性特性曲線(xiàn)（Linearity）高光子轉(zhuǎn)換效率（HighQuantumEfficiency）大面積感光（LargeFieldofView）光譜響應(yīng)廣（BroadSpectralResponse）低影像失真（LowImageDistortion）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)上低耗電力，不受強(qiáng)電磁場(chǎng)影響電荷傳輸效率佳：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ＣＣＤ傳感器的優(yōu)點(diǎn)：高解析度（HighResolu62二、ＣＭＯＳ圖像傳感器ＣＭＯＳ圖像傳感器于８０年代發(fā)明以來(lái)，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(kāi)始非常的廣泛，包括數(shù)碼相機(jī)、PCCamera、影像電話(huà)、第三代手機(jī)、視訊會(huì)議、智能型保全系統(tǒng)、汽車(chē)倒車(chē)?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(huà)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（PassivePixelSensorCMOS）與主動(dòng)式像素傳感器ＣＭＯＳ（ActivePixelSensorCMOS）。二、ＣＭＯＳ圖像傳感器63ＣＭＯＳ圖像傳感器屬于新興產(chǎn)品市場(chǎng)，其市場(chǎng)占有率變化不如成熟產(chǎn)業(yè)那般恒常不變，例如在１９９９年時(shí)，ＣＭＯＳ市場(chǎng)中，按照出貨比例排名依序?yàn)锳gilent、OmniVision、STM和Hyundai，其市場(chǎng)占有率分別為２４％、２２％、１４％和１４％，其中ＳＴＭ是歐洲廠(chǎng)商，Ｈｙｕｎｄａｉ是韓國(guó)廠(chǎng)商；但只經(jīng)過(guò)一年后的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，Agilent和OmniVision出貨排名順序仍然分居一、二，且市場(chǎng)占有率分別提升到３７.７％和３０.８％，而STM落居第四，市場(chǎng)占有率大幅滑落至４.８％，至于Ｈｙｕｎｄａｉ更是大幅衰退只剩２.１％的市場(chǎng)占有率，值得一提的是Ｐｈｏｔｏｂｉ在２０００年度的大幅成長(zhǎng)，全球市場(chǎng)占有率快速成長(zhǎng)至１３.７％，排名全球第三。這三家廠(chǎng)商出貨量就占全球出貨量的８２.２％。從中可以分析，這個(gè)產(chǎn)業(yè)的廠(chǎng)商集中度相當(dāng)密集，所以觀(guān)察上述三家廠(chǎng)商的近期動(dòng)態(tài)和發(fā)展，可看出許產(chǎn)業(yè)和技術(shù)未來(lái)發(fā)展方向。ＣＭＯＳ圖像傳感器屬于新興產(chǎn)品市場(chǎng)，其市場(chǎng)占有率變化不如成64國(guó)外CMOS圖像傳感器發(fā)展現(xiàn)狀

由于CMOS工藝的成熟和固體圖像傳感器技術(shù)的研究成果，CMOS圖像傳感器發(fā)展很快，國(guó)外各大公司和科研機(jī)構(gòu)已經(jīng)開(kāi)發(fā)出多種類(lèi)型的CMOS圖像傳感器和以CMOS圖像傳感器為核心的攝像系統(tǒng)。低分辨率的有Pinkhill公司生產(chǎn)的廣泛應(yīng)用于娛樂(lè)和玩具行業(yè)的CMOS圖像傳感器芯片、英國(guó)VLSIVision公司生產(chǎn)的用于兒童娛樂(lè)時(shí)即時(shí)拍照的新概念相機(jī)、韓國(guó)漢城國(guó)立大學(xué)電子工程學(xué)院集成系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室利用64×256像素CMOS圖像傳感器陣列開(kāi)發(fā)的指紋識(shí)別系統(tǒng)等。在中、高分辨率應(yīng)用領(lǐng)域中，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室研制的256×256元CMOS有源像素傳感器（CMOS-APS）的像素尺寸為20μm×20μm，在單一5V電壓下工作，動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)72dB，英國(guó)VLSI公司生產(chǎn)的785×586像素CMOS圖像傳感器，美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室為國(guó)家航空和宇宙航空局設(shè)計(jì)制造了用于彩色相機(jī)的1024×1024像素CMOS-APS。美國(guó)斯坦福大學(xué)電子工程系信息系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室采用0.35μm、4層金屬、單層多晶硅n阱CMOS工藝研制出了具有寬動(dòng)態(tài)范圍的640×512像素CMOS-APS。像素尺寸為10.5μm×10.5μm，填充系數(shù)為29%，電源電壓為33V，暗電流為160pA/cm2，靈敏度為5.1mV/e-，動(dòng)態(tài)范圍為655536：1，最大幀速為250幀/秒。國(guó)外CMOS圖像傳感器發(fā)展現(xiàn)狀由于CMOS工藝的成熟和固體65.國(guó)內(nèi)CMOS圖像傳感器研制狀況在國(guó)內(nèi)，西安交通大學(xué)、浙江大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、中國(guó)紡織大學(xué)、重慶大學(xué)、臺(tái)灣大學(xué)、文嘩科技香港有限公司等單位都開(kāi)展了CMOS圖像傳感器的研制和應(yīng)用開(kāi)發(fā)工作，并取得了較大的進(jìn)展。西安交通大學(xué)開(kāi)元微電子科技有限公司使用美國(guó)CompassDesignAutomation公司的EDA軟件開(kāi)發(fā)出一系列CMOS單片攝像機(jī)ASIC芯片M-10、M-20A、M-20B、M-20C。器件的分辨率、穩(wěn)定性、信噪比都比目前進(jìn)口芯片有較大改善，并且在集成度方面有了進(jìn)一步提高。用上述CMOS單片攝像機(jī)ASIC芯片M10組裝成的微型攝像頭是綜合國(guó)際90年代視覺(jué)技術(shù)的新一代CMOS攝像器件。微型攝像頭可輸出PAL制黑白圖像全電視信號(hào)，直接在顯示器（監(jiān)視器、電視機(jī)等）上顯示。也可以作為計(jì)算機(jī)多媒體應(yīng)用的圖像輸入部件，并能通過(guò)錄像機(jī)錄下圖像。.國(guó)內(nèi)CMOS圖像傳感器研制狀況在國(guó)內(nèi)，西安交通大學(xué)、浙江66單片CMOS攝像機(jī)ASIC芯片M10集成了攝像器件的所有功能，包括1/3英寸CMOS圖像傳感器陣列、掃描讀出電路、放大電路、全電視信號(hào)產(chǎn)生電路等。M10還具有自動(dòng)曝光控制、自動(dòng)增益控制和黑白電平自動(dòng)校正等功能。用M10組裝成的UP-10微型攝像頭與傳統(tǒng)的CCD攝像頭相比，在體積、功耗與價(jià)格上占有很大的優(yōu)勢(shì)。UR-10微型攝像頭最突出的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)人眼不可見(jiàn)的紅外光特別敏感，例如一個(gè)點(diǎn)燃的煙頭及紅外線(xiàn)遙控器的發(fā)射光，對(duì)著攝像鏡頭則顯示屏就會(huì)出現(xiàn)很強(qiáng)的自光，白天或黑夜都沒(méi)有什么區(qū)別，對(duì)于防盜監(jiān)控來(lái)講，甚為適宜?？梢岳眉t外光源照射被監(jiān)視區(qū)域，即使在伸手不見(jiàn)五指的黑夜，也能讓盜賊無(wú)所遁形。該微型攝像頭可廣泛應(yīng)用于工廠(chǎng)、學(xué)校、礦區(qū)、住宅區(qū)、港口、工地、庫(kù)房、家庭、別墅、果場(chǎng)、養(yǎng)殖場(chǎng)、超級(jí)市場(chǎng)、銀行、交通、多媒體電腦等場(chǎng)合。開(kāi)元微電子科技有限公司己研制出369×287，768×574，640×480和512×512像元CMOS圖像傳感器，并用這些器件開(kāi)發(fā)成功了M-X型系列CMOS微型攝像機(jī)。單片CMOS攝像機(jī)ASIC芯片M10集成了攝像器件的所有功能67

六、

應(yīng)用及市場(chǎng)前景

CMOS圖像傳感器是信息獲取與處理領(lǐng)域里圖像處理技術(shù)中最重要的一部分，是PC機(jī)多媒體大世界今后不可缺少的外設(shè)，也是保安監(jiān)控產(chǎn)業(yè)中最核心的器件。在知識(shí)經(jīng)濟(jì)和信息社會(huì)已經(jīng)到來(lái)的今天，它在我們的社會(huì)生活和個(gè)人生活中會(huì)有數(shù)不勝數(shù)的應(yīng)用。CMOS圖像傳感器比CCD圖像傳感器功耗更低，而且體積也可以進(jìn)一步縮小，能大批量生產(chǎn)、低噪聲，寬動(dòng)態(tài)范圍，寬光譜靈敏度，體積小，價(jià)格便宜，容易實(shí)現(xiàn)商品化，適用于超微型數(shù)碼相機(jī)、便攜式可視電話(huà)、PC機(jī)電腦眼、可視門(mén)鈴、掃描儀、攝像機(jī)、安防監(jiān)控、汽車(chē)防盜、機(jī)器視覺(jué)、車(chē)載電話(huà)、指紋識(shí)別等圖像領(lǐng)域。六、應(yīng)用及市場(chǎng)前景68目前我國(guó)可視門(mén)鈴或可視電話(huà)都是CCD非隱蔽式的，隨著治安要求的不斷提高，為確保門(mén)外或室內(nèi)外的攝像系統(tǒng)不被破壞，在室內(nèi)外發(fā)展隱蔽式攝像系統(tǒng)將成為家用消費(fèi)系統(tǒng)的主流與趨勢(shì)。CMOS圖像傳感器功耗小，配以高效可充電電池，即使全天候工作，也不會(huì)引起電路過(guò)熱，導(dǎo)致圖像質(zhì)量變差。CMOS圖像傳感器芯片還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，光譜敏感范圍在近紅外光波段比可見(jiàn)光的靈敏度高出5~6倍，配以適當(dāng)紅外照明，則有更好的夜視功能，這對(duì)偵破和反犯罪活動(dòng)非常有用。在醫(yī)療領(lǐng)域，可將CMOS圖像傳感器應(yīng)用于一種醫(yī)療X射線(xiàn)機(jī)，該機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是病人所受X射線(xiàn)的劑量較小，比傳統(tǒng)方式的1/100還要低，同時(shí)其形