CMOS图像传感器的应用与发展
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摘要：首先介绍了CMOS传感器的发展历程，然后对CMOS传感器的基本原理进行介绍，分析了CMOS传感器技术优于CCD传感器技术的特点，主要有制造简单、节省电影、价格便宜和小体积等。介绍了CMOS传感器的应用及研发。最后说明了CMOS传感器超越CCD传感器的美好发展前景，并说明了CMOS传感器现存的一些问题。
关键词：图像传感器 ；应用；趋势
1、引言
20世纪70年代，CCD图像传感器和CMOS图像传感器同时起步。CCD图像传感器由于灵敏度高、噪声低，逐步成为图像传感器的主流。但由于工艺上的原因，敏感元件和信号处理电路不能集成在同一芯片上，造成由CCD图像传感器组装的摄像机体积大、功耗大。CMOS图像传感器以其体积小、功耗低在图像传感器市场上独树一帜。但最初市场上的CMOS图像传感器，一直没有摆脱光照灵敏度低和图像分辨率低的缺点，图像质量还无法与CCD图像传感器相比。如果把CMOS图像传感器的光照灵敏度再提高5倍～10倍，把噪声进一步降低，CMOS图像传感器的图像质量就可以达到或略微超过CCD图像传感器的水平，同时能保持体积小、重量轻、功耗低、集成度高、价位低等优点，如此，CMOS图像传感器取代CCD图像传感器就会成为事实。由于CMOS图像传感器的应用，新一代图像系统的开发研制得到了极大的发展，并且随着经济规模的形成，其生产成本也得到降低。现在，CMOS图像传感器的画面质量也能与CCD图像传感器相媲美，这主要归功于图像传感器芯片设计的改进，以及亚微米和深亚微米级设计增加了像素内部的新功能。实际上，更确切地说，CMOS图像传感器应当是一个图像系统。一个典型的CMOS图像传感器通常包含：一个图像传感器核心（是将离散信号电平多路传输到一个单一的输出，这与CCD图像传感器很相似），所有的时序逻辑、
单一时钟及芯片内的可编程功能，比如增益调节、积分时间、窗口和模数转换器。事实上，当一位设计者购买了CMOS图像传感器后，他得到的是一个包括图像阵列逻辑寄存器、存储器、定时脉冲发生器和转换器在内的全部系统。与传统的CCD图像系统相比，把整个图像系统集成在一块芯片上不仅降低了功耗，而且具有重量较轻，占用空间减少以及总体价格更低的优点。
2、基本原理
从某一方面来说，CMOS图像传感器在每个像素位置内都有一个放大器，这就使其能在很低的带宽情况下把离散的电荷信号包转换成电压输出，而且也仅需要在帧速率下进行重置。CMOS图像传感器的优点之一就是它具有低的带宽，并增加了信噪比。由于制造工艺的限制，早先的CMOS图像传感器无法将放大器放在像素位置以内。这种被称为PPS的技术，噪声性能很不理想，而且还引来对CMOS图像传感器的种种干扰。然而今天，随着制作工艺的提高，使在像素内部增加复杂功能的想法成为可能。现在，在像素位置以内已经能增加诸如电子开关、互阻抗放大器和用来降低固定图形噪声的相关双采样保持电路以及消除噪声等多种附加功能。实际上，在Conexant公司（前Rockwell半导体公司）的一台先进的CMOS摄像机所用的CMOS图传感器上，每一个像素中都设计并使用了6个晶体管，测试到的读出噪声只有1均方根电子。不过，随着像素内电路数量的不断增加，留给感光二极管的空间逐渐减少，为了避免这个比例（又称占空因数或填充系数）的下降，一般都使用微透镜，这是因为每个像素位置上的微小透镜都能改变入射光线的方向，使得本来会落到连接点或晶体管上的光线重回到对光敏感的二极管区域。因为电荷被限制在像素以内，所以CMOS图像传感器的另一个固有的优点就是它的防光晕特性。在像素位置内产生的电压先是被切换到一个纵列的缓冲区内，然后再被传输到输出放大器中，因此不会发生传输过程中的电荷损耗以及随后产生的光晕现象。它的不利因素是每个像素中放大器的阈值电压都有细小的差别，这种不均匀性就会引起固定图像噪声。然而，随着CMOS图像传感器的结构设计和制造工艺的不断改进，这种效应已经得到显著弱化。这种多功能的集成化，使得许多以前无法应用图像技术的地方现在也变得可行了，如孩子的玩具，更加分散的保安摄像机、嵌入在显示器和膝上型计算机显示器中的摄像机、
带相机的移动电路、指纹识别系统、甚至于医学图像上所使用的一次性照相机等，这些都已在某些设计者的考虑之中。
3、应用
3、1 微型摄像机
在很多应用场合 ,隐蔽摄像机必须大大缩小摄像机的体积 ,采用 CMOS图像传感器可方便地做到这一点。目前国内市场上销售的DV - 5016 型微型黑白摄像机(16 mm×16 mm×12 mm) ,其功耗只有50 mW ,配以高效可充电电池 ,即使全天候工作 ,也不会电路过热和图像质量变差。近来推出中分辨率的CMOS黑白微型摄像机 ,其灵敏度可达0. 1 lx ,图像清晰度可等同于 CCD摄像机的。 目前可视门铃或可视电话都是 CCD 非隐蔽式的。随着治安要求不断提高 ,为确保门外或室内外的摄像系统不被识破而遭到破坏 ,在室内外安装隐蔽式摄像系统将成为家用消费系统的一种趋势。对于CMOS微型摄像机 ,只要配有管状镜头 ,就能达到隐蔽而难被破坏的目的。
微型 CMOS摄像机的各种配置已在汽车尾视、内视 —Tax 司机的监视系统、塔吊起重、汽车防盗、电梯监控、超市防盗、银行监控、焦点采访、监狱、辑私等许多领域中得到应用。由于其安装简便、使用方便、自动启动、自动录像、费用低 ,使其应用也越来越广泛。
3、2 CMOS数字摄像机
美国 Omni Vison 公司最近推出的由 OV7610型 CMOS彩色数字图像芯片和 OV511 型高级摄像机以及 USB 接口芯片所组成的 USB 摄像机 ,其分辨率高达 640 ×480 ,适用于通过通用串行总线传输的视频系统。
OV511 型高级摄像机的推出 ,可使得 PC 机能以更加实时的方法获取大量视频信息 ,其压缩芯片的压缩比可以达到 7 :1 ,从而保证了图像传感器到PC机的快速图像传输。对于CIF图像格式 ,OV511型可支持高达 30 帧/秒的传输速率 ,减少了低带宽应用中通常会出现的图像跳动现象。OV511 型作为高性能的 USB 接口的控制器 ,它具有足够的灵活性 ,适合包括视频会议、视频电子邮件、计算机多媒体和保安监控等场合应用。
当它和 OV7610 型 CMOS 彩色数字图像传感器结合起来 ,可作成适用于所有 PC 机视频输入应用的完美的低价位、高质量的 USB 摄像机。
3、3 数码相机
人们使用胶卷照相机已经上百年了 ,20 世纪 80年代以来 ,人们利用高新技术 ,发展了不用胶卷的CCD数码相机 ,使传统的胶卷照相机产生了根本的变化。电可写可控的廉价快闪( Flash) ROM 的出现 ,以及低功耗、低价位的 CMOS摄像头的问世 ,为数码相机打开了新的局面 ,如图 3 所示。从图 3 可以看出 ,数码相机的内部装置已经和传统照相机完全不同了 ,彩色 CMOS 摄像头在电子快门的控制下 ,摄取一幅照片存在 DRAM 中 ,然后再转至快闪ROM中存放起来。根据快闪 ROM 的容量和图像数据的压缩水平 ,可以决定能照片的张数。如果将ROM换成 PCMCIA卡 ,就可以通过换卡 ,扩大数码相机的容量 ,这就像更换胶卷一样 ,将数码相机的数字图像信息转存至 PC 机的硬盘中存贮 ,这就大大方便了照片的存贮、检索、处理、编辑和传送。
3、4 手表式摄像机
英国布里斯托尔惠普研究实验室的一个研究小组研制出新型手表式摄像机。这种摄像机利用单个芯片来实现摄像机所需的大部分功能 ,能置于手表中来处理和显示所拍摄的静止或运动图像。
这种芯片同时获取和处理图像 ,还可与手表或移动电话等共享电源。利用特殊的端口 ,新型摄像机还可与现有摄像机或电视相连。据英国布里斯托尔惠普研究室的研究人员介绍 ,将来通过增加红外线或无线电通信端口 ,手表式摄像机还有可能直接从个人电脑或电视机中下载图像。
3、5 影像掌上电话
日本东京陶瓷公司研制出全球第一台蜂窝式彩色影像掌上电话系统( PHS) 。这款新型电话配备英寸(1 英寸等于 2. 54 厘米)薄膜晶体管液晶显示屏幕( TFT LCD) 和 11 万像素的 CMOS 图像传感器 ,每秒可传送或接收两个画面及声音。该电话零售价低于 4 万日元(约 325 美元) 。
3、6 相机电话
CMOS传感器被认为是相机电话的理想解决方案，不过CCD传感器在Sanyo的大力推广下，采用frame transmission的方式来降低其功耗，反而成为目前日本相机电话的主流选择。展望2003年，随着Sanyo推出VGA低功耗CCD传感器，相机电话仍会以CCD传感器为大宗，CMOS传感器则以外挂式的相机模块作为其主要应用；不过，2004年以后，当相机电话用CMOS传感器迈入130万象素时代时，CCD传感器能否迎头赶上还是未知数；Sanyo的数据显示，目前该公司也没有把握将百万象素以上的CCD传感器的功耗降至手机可接受的80~100mW，因此，相机电话未来是否仍有CCD发展的空间，目前仍难以下定论。目前看来，许多CMOS传感器商家计划在2003年2季度之前推出百万象素级、1/4英寸的相机电话用传感器，届时CIF等级的产品更可望缩小至1/14英寸，从而大幅降低成本。在越来越多的手机商家将相机模块导入低端手机后，CMOS传感器将有望超越CCD传感器成为市场上的主流产品。
3、7 其他应用和市场
CMOS图像传感器是一种多功能传感器 ,由于它兼具 CCD 图像传感器的性能 ,因此可进入 CCD的应用领域 ,但它又有自己独特的优点 ,所以为自已开拓了许多新的应用领域。目前主要应用是保安监控系统和 PC摄像机。 除了上述主要应用之外 ,CMOS图像传感器还可应用于数字静态摄像机和医用小型摄像机等。例如 ,心脏外科医生可以在患者胸部安装一个小“硅眼” ,以便在手术后监视手术效果 ,CCD 就很难实现这种应用。
在CMOS 图像传感器中 ,由于集成了多种功能 ,使得以往许多无法运用图像技术的地方 ,能够广泛地应用图像技术。例如带照相机的移动电话、指纹识别系统、嵌入在显示器和膝上型电脑显示器中的摄像机、一次性照相机等。
4、分析
虽然现在CMOS传感器应用形式优于CCD传感器，但这并不表示CMOS传感器
CMOS图像传感器的应用与发展
