CMOS和CCD圖像傳感器概述

隨著各式消費(fèi)性電子的興起，圖像傳感器已成為半導(dǎo)體業(yè)中最耀眼的明星產(chǎn)品之一，而在圖像傳感器中，CCD傳感器與新興成長(zhǎng)的 CMOS Sensor也逐漸找到自己的應(yīng)用市場(chǎng)，希望成為市場(chǎng)上的主流技術(shù)。CMOS圖像傳感器與CCD傳感器相比具有感光度低、信噪比高的缺點(diǎn)，但是其仍具有低功耗、低成本等優(yōu)點(diǎn)。針對(duì)全球Image Sensor (影像傳感器) IC組件市場(chǎng)分析，2010年全球Image Sensor 組件應(yīng)用市場(chǎng)規(guī)模為7.1億美元，在經(jīng)過金融風(fēng)暴的影響后，仍持續(xù)呈現(xiàn)正成長(zhǎng)趨勢(shì)。TRI預(yù)估在2012年Image Sensor市場(chǎng)之規(guī)模將近8.5億美元；Image Sensor市場(chǎng)占比尤以CMOS Sensor之比重為高，平均占比約在9成左右。

針對(duì)CMOS Sensor市場(chǎng)規(guī)模分析，2010年CMOS Sensor 組件整體市場(chǎng)規(guī)模為6.3億美元，占整體Image Sensor市場(chǎng)89%，整體市場(chǎng)趨勢(shì)平均維持90%的區(qū)間范圍。而在各項(xiàng)消費(fèi)性電子搭載的滲透率偏高的狀態(tài)下，未來成長(zhǎng)幅度趨緩進(jìn)入產(chǎn)業(yè)成長(zhǎng)成熟期，TRI預(yù)估CMOS Sensor在2011年年成長(zhǎng)率為13%，未來將追求在技術(shù)像素及制造成本上的進(jìn)步。

CMOS Sensor為攝像機(jī)模塊應(yīng)用市場(chǎng)最重要的影像傳感器應(yīng)用組件，其中應(yīng)用占比最高的為通訊電子商品，占整體CMOS Sensor市場(chǎng)的70%，而CMOS Sensor市場(chǎng)的主要應(yīng)用包括安全系統(tǒng)、車用系統(tǒng)、PC相關(guān)周邊應(yīng)用、數(shù)碼相機(jī)等。IPad帶動(dòng)的平板電腦市場(chǎng)是CMOS Sensor成長(zhǎng)最快的應(yīng)用市場(chǎng)。

安防攝像機(jī)的應(yīng)用市場(chǎng)占圖像傳感器市場(chǎng)值1成之間，過去多使用CCD作為影像傳感器，近年來CMOS Sensor的性能不斷提升，開始打入長(zhǎng)久為CCD Sensor獨(dú)占的市場(chǎng)，主要偏向較低價(jià)的安防攝像機(jī)。

CCD與CMOS的技術(shù)特點(diǎn)

CCD與CMOS的技術(shù)特點(diǎn)主要在于成像過程、集成度、功耗、性能指標(biāo)等方面。

成像過程

CCD和CMOS使用相同的光敏材料，因而受光后產(chǎn)生電子的基本原理相同，但是讀取過程不同：CCD是在同步信號(hào)和時(shí)鐘信號(hào)的配合下以幀或行的方式轉(zhuǎn)移，整個(gè)電路非常復(fù)雜，讀出速率慢；CMOS則以類似DRAM的方式讀出信號(hào)，電路簡(jiǎn)單，讀出速率高。

集成度

采用特殊制造工藝的CCD讀出電路比較復(fù)雜，很難將A/D轉(zhuǎn)換、信號(hào)處理、自動(dòng)增益控制、精密放大和存儲(chǔ)功能集成到一塊芯片上，一般需要多個(gè)芯片組合實(shí)現(xiàn)，同時(shí)還需要一個(gè)多通道非標(biāo)準(zhǔn)供電電壓。借助于大規(guī)模集成制造工藝，CMOS圖像傳感器能非常容易地把上述功能集成到單一芯片上，多數(shù)CMOS圖像傳感器同時(shí)具有模擬和數(shù)字輸出信號(hào)。

電 源、功 耗 和 體 積

CCD需多種電源供電，功耗較大，體積也比較大。CMOS只需一個(gè)單電源(3V～5V)供電，其功耗相當(dāng)于CCD的1/10，高度集成CMOS芯片可以做的相當(dāng)小。

性能指標(biāo)

CCD技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，而CMOS正處于蓬勃發(fā)展時(shí)期，雖然目前高端CMOS圖像質(zhì)量暫時(shí)不如CCD，但有些指標(biāo)（如傳輸速率等方面）已超過CCD。由于CMOS具有諸多優(yōu)點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外許多機(jī)構(gòu)已經(jīng)應(yīng)用CMOS圖像傳感器開發(fā)出眾多產(chǎn)品。

CMOS傳感器關(guān)鍵技術(shù)取得突破

CMOS傳感器的技術(shù)發(fā)展跟隨摩爾定律快速發(fā)展，尤其是幾年來在市場(chǎng)需求的推動(dòng)下，關(guān)鍵技術(shù)不斷取得突破。對(duì)于用戶關(guān)注的CMOS的照度和噪點(diǎn)等問題，實(shí)際上可見光下CMOS的信噪比遠(yuǎn)高于CCD。一方面，隨著國(guó)際CMOS大廠的不斷改進(jìn)，CMOS還繼續(xù)在成像的通透性、對(duì)實(shí)物的色彩還原能力等方面迎頭趕上。研發(fā)了感光度增強(qiáng)技術(shù)，進(jìn)而通過使用大尺寸傳感器提高開口率，這正是提高CMOS感光能力的最直接辦法。即便是在噪音控制方面，有公司將專門的噪聲檢測(cè)算法直接整合于CMOS圖像傳感器的控制邏輯中。通過這項(xiàng)技術(shù)，固定噪聲就可以成功剔除了。更何況CMOS的價(jià)格遠(yuǎn)低于CCD設(shè)備。另一方面，在ISP中采用多種技術(shù)革新，如去噪技術(shù)來提升CMOS的噪點(diǎn)問題。

此外，從工藝上來講，CCD每提升100萬(wàn)像素就需要對(duì)其生產(chǎn)線進(jìn)行改造，研發(fā)生產(chǎn)的成本比較高。如果CCD尺寸仍然維持在2/3英寸的話，單位電極的間隙就被限制在0.4微米以內(nèi)，進(jìn)而導(dǎo)致制造中產(chǎn)生的損品率與生產(chǎn)成本大幅度攀升。

在各主力廠商的不斷努力下，新的CMOS器件不斷推陳出新，高動(dòng)態(tài)范圍CMOS器件已經(jīng)出現(xiàn)，這一技術(shù)消除了對(duì)快門、光圈、自動(dòng)增益控制及伽瑪校正的需要。另外由于CMOS先天的可塑性，可以做出高分辨率像素的大型CMOS感光器而成本卻不上升多少。相對(duì)于CCD的停滯不前相比，CMOS作為新生事物而展示出了蓬勃的活力。CMOS圖像傳感器正在向高分辨率、高動(dòng)態(tài)范圍、高靈敏度、數(shù)字化、多功能化的多元化的細(xì)分市場(chǎng)發(fā)展。隨著CMOS圖像傳感器技術(shù)的不斷進(jìn)度，CMOS傳感器在安防攝像機(jī)的應(yīng)用會(huì)不斷增大。

結(jié)束語(yǔ)

ISP是CMOS和CCD攝像機(jī)中的重要器件，ISP主要負(fù)責(zé)對(duì)傳感器中出來的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理。直接從傳感器中得到的圖像是很糟糕的，不論色彩還是細(xì)節(jié)都與實(shí)際圖像有很大差距，只能看到圖像的中物體的大致輪廓。經(jīng)過ISP的處理，包括內(nèi)插、去噪、去壞點(diǎn)、邊緣加強(qiáng)、膚色矯正、白平衡等操作后，可以使圖像變的更加細(xì)膩，更加貼近真實(shí)世界中的圖像。ISP的主要功能包括線性糾正、噪聲去除、壞點(diǎn)去除、內(nèi)插、白平衡、自動(dòng)曝光控制等。

隨著CMOS傳感器和ISP芯片技術(shù)的快速進(jìn)步，廣大攝像機(jī)廠家將會(huì)有更多的功能豐富的方案選擇，CMOS傳感器在安防攝像機(jī)中將會(huì)得到越來越多的應(yīng)用。