CMOS圖像傳感器的應(yīng)用與發(fā)展

CMOS圖像傳感器的應(yīng)用與發(fā)展姓名：班級：學(xué)號摘要：首先介紹了CMOS傳感器的發(fā)展歷程，然后對CMOS傳感器的基本原理進(jìn)行介紹，分析了CMOS傳感器技術(shù)優(yōu)于CCD傳感器技術(shù)的特點(diǎn)，主要有制造簡單、節(jié)省電影、價(jià)格便宜和小體積等。介紹了CMOS傳感器的應(yīng)用及研發(fā)。最后說明了CMOS傳感器超越CCD傳感器的美好發(fā)展前景，并說明了CMOS傳感器現(xiàn)存的一些問題。關(guān)鍵詞：圖像傳感器；應(yīng)用；趨勢1、引言20世紀(jì)70年代，CCD圖像傳感器和CMOS圖像傳感器同時(shí)起步。CCD圖像傳感器由于靈敏度高、噪聲低，逐步成為圖像傳感器的主流。但由于工藝上的原因，敏感元件和信號處理電路不能集成在同一芯片上，造成由CCD圖像傳感器組裝的攝像機(jī)體積大、功耗大。CMOS圖像傳感器以其體積小、功耗低在圖像傳感器市場上獨(dú)樹一幟。但最初市場上的CMOS圖像傳感器，一直沒有擺脫光照靈敏度低和圖像分辨率低的缺點(diǎn)，圖像質(zhì)量還無法與CCD圖像傳感器相比。如果把CMOS圖像傳感器的光照靈敏度再提高5倍?10倍，把噪聲進(jìn)一步降低，CMOS圖像傳感器的圖像質(zhì)量就可以達(dá)到或略微超過CCD圖像傳感器的水平，同時(shí)能保持體積小、重量輕、功耗低、集成度高、價(jià)位低等優(yōu)點(diǎn)，如此，CMOS圖像傳感器取代CCD圖像傳感器就會(huì)成為事實(shí)。由于CMOS圖像傳感器的應(yīng)用，新一代圖像系統(tǒng)的開發(fā)研制得到了極大的發(fā)展，并且隨著經(jīng)濟(jì)規(guī)模的形成，其生產(chǎn)成本也得到降低?，F(xiàn)在，CMOS圖像傳感器的畫面質(zhì)量也能與CCD圖像傳感器相媲美，這主要?dú)w功于圖像傳感器芯片設(shè)計(jì)的改進(jìn)，以及亞微米和深亞微米級設(shè)計(jì)增加了像素內(nèi)部的新功能。實(shí)際上，更確切地說，CMOS圖像傳感器應(yīng)當(dāng)是一個(gè)圖像系統(tǒng)。一個(gè)典型的CMOS圖像傳感器通常包含：一個(gè)圖像傳感器核心（是將離散信號電平多路傳輸?shù)揭粋€(gè)單一的輸出，這與CCD圖像傳感器很相似），所有的時(shí)序邏輯、單一時(shí)鐘及芯片內(nèi)的可編程功能，比如增益調(diào)節(jié)、積分時(shí)間、窗口和模數(shù)轉(zhuǎn)換器。事實(shí)上，當(dāng)一位設(shè)計(jì)者購買了CMOS圖像傳感器后，他得到的是一個(gè)包括圖像陣列邏輯寄存器、存儲(chǔ)器、定時(shí)脈沖發(fā)生器和轉(zhuǎn)換器在內(nèi)的全部系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的CCD圖像系統(tǒng)相比，把整個(gè)圖像系統(tǒng)集成在一塊芯片上不僅降低了功耗，而且具有重量較輕，占用空間減少以及總體價(jià)格更低的優(yōu)點(diǎn)。2、基本原理從某一方面來說，CMOS圖像傳感器在每個(gè)像素位置內(nèi)都有一個(gè)放大器，這就使其能在很低的帶寬情況下把離散的電荷信號包轉(zhuǎn)換成電壓輸出，而且也僅需要在幀速率下進(jìn)行重置。CMOS圖像傳感器的優(yōu)點(diǎn)之一就是它具有低的帶寬，并增加了信噪比。由于制造工藝的限制，早先的CMOS圖像傳感器無法將放大器放在像素位置以內(nèi)。這種被稱為PPS的技術(shù)，噪聲性能很不理想，而且還引來對CMOS圖像傳感器的種種干擾。然而今天，隨著制作工藝的提高，使在像素內(nèi)部增加復(fù)雜功能的想法成為可能?，F(xiàn)在，在像素位置以內(nèi)已經(jīng)能增加諸如電子開關(guān)、互阻抗放大器和用來降低固定圖形噪聲的相關(guān)雙采樣保持電路以及消除噪聲等多種附加功能。實(shí)際上，在Conexant公司（前Rockwell半導(dǎo)體公司）的一臺先進(jìn)的CMOS攝像機(jī)所用的CMOS圖傳感器上，每一個(gè)像素中都設(shè)計(jì)并使用了6個(gè)晶體管，測試到的讀出噪聲只有1均方根電子。不過，隨著像素內(nèi)電路數(shù)量的不斷增加，留給感光二極管的空間逐漸減少，為了避免這個(gè)比例（又稱占空因數(shù)或填充系數(shù)）的下降，一般都使用微透鏡，這是因?yàn)槊總€(gè)像素位置上的微小透鏡都能改變?nèi)肷涔饩€的方向，使得本來會(huì)落到連接點(diǎn)或晶體管上的光線重回到對光敏感的二極管區(qū)域。因?yàn)殡姾杀幌拗圃谙袼匾詢?nèi)，所以CMOS圖像傳感器的另一個(gè)固有的優(yōu)點(diǎn)就是它的防光暈特性。在像素位置內(nèi)產(chǎn)生的電壓先是被切換到一個(gè)縱列的緩沖區(qū)內(nèi)，然后再被傳輸?shù)捷敵龇糯笃髦?，因此不?huì)發(fā)生傳輸過程中的電荷損耗以及隨后產(chǎn)生的光暈現(xiàn)象。它的不利因素是每個(gè)像素中放大器的閾值電壓都有細(xì)小的差別，這種不均勻性就會(huì)引起固定圖像噪聲。然而，隨著CMOS圖像傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造工藝的不斷改進(jìn)，這種效應(yīng)已經(jīng)得到顯著弱化。這種多功能的集成化，使得許多以前無法應(yīng)用圖像技術(shù)的地方現(xiàn)在也變得可行了，如孩子的玩具，更加分散的保安攝像機(jī)、嵌入在顯示器和膝上型計(jì)算機(jī)顯示器中的攝像機(jī)、帶相機(jī)的移動(dòng)電路、指紋識別系統(tǒng)、甚至于醫(yī)學(xué)圖像上所使用的一次性照相機(jī)等，這些都已在某些設(shè)計(jì)者的考慮之中。3、應(yīng)用3、1微型攝像機(jī)在很多應(yīng)用場合，隱蔽攝像機(jī)必須大大縮小攝像機(jī)的體積，采用CMOS圖像傳感器可方便地做到這一點(diǎn)。目前國內(nèi)市場上銷售的DV-5016型微型黑白攝像機(jī)(16mmX16mmX12mm)，其功耗只有50mW,配以高效可充電電池，即使全天候工作，也不會(huì)電路過熱和圖像質(zhì)量變差。近來推出中分辨率的CMOS黑白微型攝像機(jī)，其靈敏度可達(dá)0.1lx，圖像清晰度可等同于CCD攝像機(jī)的。目前可視門鈴或可視電話都是CCD非隱蔽式的。隨著治安要求不斷提高，為確保門外或室內(nèi)外的攝像系統(tǒng)不被識破而遭到破壞，在室內(nèi)外安裝隱蔽式攝像系統(tǒng)將成為家用消費(fèi)系統(tǒng)的一種趨勢。對于CMOS微型攝像機(jī)，只要配有管狀鏡頭，就能達(dá)到隱蔽而難被破壞的目的。微型CMOS攝像機(jī)的各種配置已在汽車尾視、內(nèi)視一Tax司機(jī)的監(jiān)視系統(tǒng)、塔吊起重、汽車防盜、電梯監(jiān)控、超市防盜、銀行監(jiān)控、焦點(diǎn)采訪、監(jiān)獄、輯私等許多領(lǐng)域中得到應(yīng)用。由于其安裝簡便、使用方便、自動(dòng)啟動(dòng)、自動(dòng)錄像、費(fèi)用低，使其應(yīng)用也越來越廣泛。3、2CMOS數(shù)字?jǐn)z像機(jī)美國OmniVison公司最近推出的由OV7610型CMOS彩色數(shù)字圖像芯片和OV511型高級攝像機(jī)以及USB接口芯片所組成的USB攝像機(jī)，其分辨率高達(dá)640X480，適用于通過通用串行總線傳輸?shù)囊曨l系統(tǒng)。OV511型高級攝像機(jī)的推出，可使得PC機(jī)能以更加實(shí)時(shí)的方法獲取大量視頻信息，其壓縮芯片的壓縮比可以達(dá)到7:1，從而保證了圖像傳感器到PC機(jī)的快速圖像傳輸。對于CIF圖像格式，OV511型可支持高達(dá)30幀/秒的傳輸速率，減少了低帶寬應(yīng)用中通常會(huì)出現(xiàn)的圖像跳動(dòng)現(xiàn)象°OV511型作為高性能的USB接口的控制器，它具有足夠的靈活性，適合包括視頻會(huì)議、視頻電子郵件、計(jì)算機(jī)多媒體和保安監(jiān)控等場合應(yīng)用。當(dāng)它和0V7610型CMOS彩色數(shù)字圖像傳感器結(jié)合起來，可作成適用于所有PC機(jī)視頻輸入應(yīng)用的完美的低價(jià)位、高質(zhì)量的USB攝像機(jī)。3、3數(shù)碼相機(jī)人們使用膠卷照相機(jī)已經(jīng)上百年了,20世紀(jì)80年代以來，人們利用高新技術(shù)，發(fā)展了不用膠卷的CCD數(shù)碼相機(jī)，使傳統(tǒng)的膠卷照相機(jī)產(chǎn)生了根本的變化。電可寫可控的廉價(jià)快閃（Flash）ROM的出現(xiàn)，以及低功耗、低價(jià)位的CMOS攝像頭的問世，為數(shù)碼相機(jī)打開了新的局面，如圖3所示。從圖3可以看出，數(shù)碼相機(jī)的內(nèi)部裝置已經(jīng)和傳統(tǒng)照相機(jī)完全不同了，彩色CMOS攝像頭在電子快門的控制下，攝取一幅照片存在DRAM中，然后再轉(zhuǎn)至快閃ROM中存放起來。根據(jù)快閃ROM的容量和圖像數(shù)據(jù)的壓縮水平，可以決定能照片的張數(shù)。如果將ROM換成PCMCIA卡，就可以通過換卡，擴(kuò)大數(shù)碼相機(jī)的容量，這就像更換膠卷一樣，將數(shù)碼相機(jī)的數(shù)字圖像信息轉(zhuǎn)存至PC機(jī)的硬盤中存貯，這就大大方便了照片的存貯、檢索、處理、編輯和傳送。3、4手表式攝像機(jī)英國布里斯托爾惠普研究實(shí)驗(yàn)室的一個(gè)研究小組研制出新型手表式攝像機(jī)。這種攝像機(jī)利用單個(gè)芯片來實(shí)現(xiàn)攝像機(jī)所需的大部分功能，能置于手表中來處理和顯示所拍攝的靜止或運(yùn)動(dòng)圖像。這種芯片同時(shí)獲取和處理圖像，還可與手表或移動(dòng)電話等共享電源。利用特殊的端口，新型攝像機(jī)還可與現(xiàn)有攝像機(jī)或電視相連。據(jù)英國布里斯托爾惠普研究室的研究人員介紹，將來通過增加紅外線或無線電通信端口，手表式攝像機(jī)還有可能直接從個(gè)人電腦或電視機(jī)中下載圖像。3、5影像掌上電話日本東京陶瓷公司研制出全球第一臺蜂窩式彩色影像掌上電話系統(tǒng)（PHS）。這款新型電話配備英寸（1英寸等于2.54厘米）薄膜晶體管液晶顯示屏幕（TFTLCD）和11萬像素的CMOS圖像傳感器，每秒可傳送或接收兩個(gè)畫面及聲音。該電話零售價(jià)低于4萬日元（約325美元）。3、6相機(jī)電話CMOS傳感器被認(rèn)為是相機(jī)電話的理想解決方案，不過CCD傳感器在Sanyo的大力推廣下，采用frametransmission的方式來降低其功耗，反而成為目前日本相機(jī)電話的主流選擇。展望2003年，隨著Sanyo推出VGA低功耗CCD傳感器，相機(jī)電話仍會(huì)以CCD傳感器為大宗，CMOS傳感器則以外掛式的相機(jī)模塊作為其主要應(yīng)用；不過，2004年以后，當(dāng)相機(jī)電話用CMOS傳感器邁入130萬象素時(shí)代時(shí)，CCD傳感器能否迎頭趕上還是未知數(shù)；Sanyo的數(shù)據(jù)顯示，目前該公司也沒有把握將百萬象素以上的CCD傳感器的功耗降至手機(jī)可接受的80~100mW,因此，相機(jī)電話未來是否仍有CCD發(fā)展的空間，目前仍難以下定論。目前看來，許多CMOS傳感器商家計(jì)劃在2003年2季度之前推出百萬象素級、1/4英寸的相機(jī)電話用傳感器，屆時(shí)CIF等級的產(chǎn)品更可望縮小至1/14英寸，從而大幅降低成本。在越來越多的手機(jī)商家將相機(jī)模塊導(dǎo)入低端手機(jī)后，CMOS傳感器將有望超越CCD傳感器成為市場上的主流產(chǎn)品。3、7其他應(yīng)用和市場CMOS圖像傳感器是一種多功能傳感器，由于它兼具CCD圖像傳感器的性能，因此可進(jìn)入CCD的應(yīng)用領(lǐng)域，但它又有自己獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，所以為自已開拓了許多新的應(yīng)用領(lǐng)域。目前主要應(yīng)用是保安監(jiān)控系統(tǒng)和PC攝像機(jī)。除了上述主要應(yīng)用之外，CMOS圖像傳感器還可應(yīng)用于數(shù)字靜態(tài)攝像機(jī)和醫(yī)用小型攝像機(jī)等。例如，心臟外科醫(yī)生可以在患者胸部安裝一個(gè)小“硅眼”，以便在手術(shù)后監(jiān)視手術(shù)效果，CCD就很難實(shí)現(xiàn)這種應(yīng)用。在CMOS圖像傳感器中，由于集成了多種功能，使得以往許多無法運(yùn)用圖像技術(shù)的地方，能夠廣泛地應(yīng)用圖像技術(shù)。例如帶照相機(jī)的移動(dòng)電話、指紋識別系統(tǒng)、嵌入在顯示器和膝上型電腦顯示器中的攝像機(jī)、一次性照相機(jī)等。4、分析雖然現(xiàn)在CMOS傳感器應(yīng)用形式優(yōu)于CCD傳感器，但這并不表示CMOS傳感器將肯定取代CCD傳感器。CMOS傳感器仍有以下問題需要解決:1、成本問題：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的1/2英寸CCD傳感器相比，其最高分辨率可達(dá)500萬象素以上；再者，目前330萬象素的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傳感器競爭。2、圖像品質(zhì)與外圍零部件的配合：根據(jù)下游商家對220萬象素CMOS傳感器評估的結(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傳感器推出對應(yīng)產(chǎn)品，也是影響CMOS傳感器普及的重要因素之一。5、結(jié)論CMOS圖像傳感器正在向高靈敏度、高分辨率、高動(dòng)態(tài)范圍、集成化、數(shù)字化、智能化的“片上相機(jī)”解決方案方向發(fā)展。芯片加工工藝不斷發(fā)展，從0.5口m—0.35口m—0.25口m—0.18口m,接口電壓也在不斷降低，從5V-3.3V-2.5V/3.3V-1.8V/3.3V。研究人員致力于提高CMOS圖像傳感器的綜合性能,縮小單元尺寸,調(diào)整CMOS工藝參數(shù),將數(shù)字信號處理電路、圖像壓縮、通訊等電路集成在一起,并制作濾色片和微透鏡陣列,以實(shí)現(xiàn)低成本、低功耗、低噪聲、高度集成的單芯片成像微系統(tǒng)。隨著數(shù)字電視、可視通訊產(chǎn)品的增加,CMOS圖象傳感器的應(yīng)用前景一定會(huì)更加廣闊。