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CMOS傳感器介紹

2011-10-21

   當今的CMOS圖像轉換技術不僅服務于“傳統的”工業圖像處理,而且還憑借其卓越的性能和靈活性而被日益廣泛的新穎消費應用所接納。此外,它還能確保汽車駕駛時的高安全性和舒適性。最初,CMOS圖像傳感器被應用于工業圖像處理;在那些旨在提高生產率、質量和生產工藝經濟性的全新自動化解決方案中,它至今仍然是至關重要的一環。

  據市場研究公司IMS Research的預測,在未來的幾年中,歐洲工業圖像處理市場的年成長率將達到6%,其中,在相機中集成了軟件功能的智能型解決方案的市場份額將不斷擴大。在德國,據其全國工具機供應商協會VDMA提供的數據,2004年的圖像處理市場增長率達到了14%。市場調研公司In-Stat/MDR亦指出,單就圖像傳感器的次級市場而言,其年成長率將高達30%以上,而且這種情況將持續到2008年。最為重要的是:CMOS傳感器的成長速度將達到CCD傳感器的七倍,照相手機和數碼相機的迅速普及是這種需求的主要推動因素。

  顯然,人們如此看好CMOS圖像轉換器的成長前景是基于這樣一個事實,即:與壟斷該領域長達30多年的CCD技術相比,它能夠更好地滿足用戶對各種應用中新型圖像傳感器不斷提升的品質要求,如更加靈活的圖像捕獲、更高的靈敏度、更寬的動態范圍、更高的分辨率、更低的功耗以及更加優良的系統集成等。此外,CMOS圖像轉換器還造就了一些迄今為止尚不能以經濟的方式來實現的新穎應用。另外,還有一些有利于CMOS傳感器的“軟”標準在起作用,包括:應用支持、抗輻射性、快門類型、開窗口和光譜覆蓋率等。不過,這種區別稍帶幾分任意性,因為這些標準的重要程度將由于應用的不同(消費、工業或汽車)而發生變化。

  細節表現中所面臨的難題

  就像我們從模擬攝影所獲知的那樣,拍攝一幅完整場景的照片是一件相當普通的事情,照相手機同樣如此。但是,對于工業或汽車應用來說,情況就大不一樣了:有些場合并不需要很高的全幀數據速率。比如,在監控攝像機中,只要能夠發現一幅場景中出現的變化(因為這種變化可能預示著某種可疑情況),那么分辨率低一點也是完全可以接受的。在此基礎之上才需要借助全分辨率來采集更多的細節信息。跟著發生的動作將只在攝像機視場的某一部分當中進行播放,而且,在所捕獲的場景中,只有這一部分才是監控人員所關注的。

  對于只提供全幀圖像的CCD圖像傳感器而言,只有采用一個分離的評估電路才能夠提供兩個觀測角度,這意味著處理時間和成本的增加。然而,CMOS圖像傳感器的工作原理則與RAM相似,所有的存儲位均可單獨讀出。CMOS傳感器的二次采樣雖然提供了較低的分辨率,但是幀速率較高;而開窗口則允許隨機選擇一塊感興趣的區域。

  CMOS傳感器坐擁高靈敏度、寬動態范圍和低功耗優勢

  最新CMOS傳感器獲得廣泛應用的一個前提是其所擁有的較高靈敏度、較短曝光時間和日漸縮小的像素尺寸。像素靈敏度的一個衡量尺度是填充因子(感光面積與整個像素面積之比)與量子效率(由轟擊屏幕的光子所生成的電子的數量)的乘積。CCD傳感器因其技術的固有特性而擁有一個很大的填充因子。而在CMOS圖像傳感器中,為了實現堪與CCD轉換器相媲美的噪聲指標和靈敏度水平,人們給CMOS圖像傳感器裝配上了有源像素傳感器(APS),并且導致填充因子降低,原因是像素表面相當大的一部分面積被放大器晶體管所占用,留給光電二極管的可用空間較小。所以,當今CMOS傳感器的一個重要的開發目標就是擴大填充因子。賽普拉斯(FillFactory)通過其獲得專利授權的一項技術,可以大幅度地提高填充因子,這種技術可以把一顆標準CMOS硅芯片最大的一部分面積變為一塊感光區域。