CMOS與CCD的區(qū)別

　　攝像機(jī)知識(shí)入門(mén)-特點(diǎn)-分類(lèi)篇：下面文章介紹了CCD與CMOS傳感器是被普遍采用的兩種圖像傳感器，兩者都是利用感光二極管(photodiode)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，而其主要差異是數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳送的方式不同。

　　CMOS與CCD的區(qū)別

　　CCD與CMOS傳感器是被普遍采用的兩種圖像傳感器，兩者都是利用感光二極管(photodiode)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，將圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，而其主要差異是數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳送的方式不同。

　　CCD傳感器中每一行中每一個(gè)象素的電荷數(shù)據(jù)都會(huì)依次傳送到下一個(gè)象素中，由端部分輸出，再經(jīng)由傳感器邊緣的放大器進(jìn)行放大輸出;而在CMOS傳感器中，每個(gè)象素都會(huì)鄰接一個(gè)放大器及A/D轉(zhuǎn)換電路，用類(lèi)似內(nèi)存電路的方式將數(shù)據(jù)輸出。

　　造成這種差異的原因在于：CCD的特殊工藝可保證數(shù)據(jù)在傳送時(shí)不會(huì)失真，因此各個(gè)象素的數(shù)據(jù)可匯聚至邊緣再進(jìn)行放大處理;而CMOS工藝的數(shù)據(jù)在傳送距離較長(zhǎng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生噪聲，因此，必須先放大，再整合各個(gè)象素的數(shù)據(jù)。

　　由于數(shù)據(jù)傳送方式不同，因此CCD與CMOS傳感器在效能與應(yīng)用上也有諸多差異，這些差異包括：

　　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。

　　2. 成本差異：

　　由于CMOS傳感器采用一般半導(dǎo)體電路常用的CMOS工藝，可以輕易地將周邊電路(如AGC、CDS、Timing generator、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。

　　3. 分辨率差異：

　　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)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，市面上CMOS傳感器可達(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。[1]

　　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)。

　　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 power IC)，高驅(qū)動(dòng)電壓更使其功耗遠(yuǎn)高于CMOS傳感器的水平。舉例來(lái)說(shuō)，OmniVision推出的OV7640(1/4英寸、VGA)，在 30 fps的速度下運(yùn)行，功耗僅為40mW;而致力于低功耗CCD傳感器的Sanyo公司推出的1/7英寸、CIF等級(jí)的產(chǎn)品，其功耗卻仍保持在90mW 以上。因此CCD發(fā)熱量比CMOS大，不能長(zhǎng)時(shí)間在陽(yáng)光下工作。[1]

　　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。

　　主要CMOS廠商

　　投入CMOS研發(fā)、生產(chǎn)的廠商較多，美國(guó)有30多家，歐洲7家，日本約8家，韓國(guó)1家，臺(tái)灣有8家。而居全球翹楚地位的廠商是Agilent(HP)，其市場(chǎng)占有率51%、ST(VLSI Vision)占16%、Omni Vision占13%、現(xiàn)代占8%、Photobit約占5%，這五家合計(jì)市占率達(dá)93%。

　　Sony

　　Sony是全球CCD傳感器大廠，也是家投入12英寸晶圓、推出600萬(wàn)象素CCD的公司，Sony約有30~40%的CCD傳感器供自有品牌產(chǎn)品使用，其它則賣(mài)給Canon、Sanyo、Casio、以及臺(tái)灣的新虹、普利爾、詮訊(與臺(tái)灣佳能合并)等廠商。

　　Sony的產(chǎn)品技術(shù)藍(lán)圖顯示，2003年除了800萬(wàn)象素的ICX 456外，并無(wú)其它微縮工藝的產(chǎn)品問(wèn)世。產(chǎn)品尺寸將大致保持現(xiàn)有水平，取而代之的是強(qiáng)化攝影功能與支持progressive scan(連續(xù)式掃描)，例如500萬(wàn)象素的ICX455/465、330萬(wàn)象素的ICX451/481、以及210萬(wàn)象素的ICX461等，令高端產(chǎn)品也能達(dá)到30fps以上的數(shù)據(jù)傳送速率。

　　高端產(chǎn)品的大部分市場(chǎng)仍被Sony占據(jù)，再加上市場(chǎng)仍處于供不應(yīng)求的局面，公司并未急于做降低成本的動(dòng)作，不過(guò)，一旦Sony的工藝(象素尺寸2.6~2.8mm)達(dá)到成熟階段(成品率超過(guò)50%)，該公司勢(shì)必近一步將此工藝應(yīng)用到其它產(chǎn)品上(目前仍只有1/1.8英寸、 500萬(wàn)象素產(chǎn)品使用此工藝)，屆時(shí)可能會(huì)有1/2.7英寸、400萬(wàn)象素產(chǎn)品問(wèn)世。

　　OmniVision

　　OmniVision成立于1995年(以下簡(jiǎn)稱(chēng)OV)，2002年6月其它同業(yè)率先推出210萬(wàn)象素的OV2610震驚市場(chǎng)，雖然目前采用此傳感器量產(chǎn)的產(chǎn)品并不多，但這已說(shuō)明CMOS傳感器可以開(kāi)始進(jìn)入原本屬于CCD傳感器的中高端數(shù)碼相機(jī)市場(chǎng); OV的數(shù)據(jù)顯示，目前已有天瀚、明、鴻友等臺(tái)灣商家開(kāi)始采用該公司的OV2610。展望2003年，OV將在1季度~2季度之間推出330萬(wàn)象素、1/2英寸的產(chǎn)品，采TSMC 0.18mm工藝生產(chǎn)，再次拓展CMOS傳感器的應(yīng)用范圍。在移動(dòng)電話(huà)市場(chǎng)上，CMOS模組的攝相模塊已經(jīng)成為移動(dòng)通訊應(yīng)用的量產(chǎn)品。

　　在低功耗產(chǎn)品方面，OV也在2002年12巒瞥雋薕V7640，可以在2.5V的環(huán)境下運(yùn)行，為目前VGA產(chǎn)品中功耗的芯片。而在2003 年新規(guī)劃的產(chǎn)品方面，OV計(jì)劃在下半年推出130萬(wàn)象素、1/4英寸，以及VGA、1/7英寸的產(chǎn)品，希望在CCD廠家推出低功耗的130萬(wàn)素產(chǎn)品之前，先行搶占市場(chǎng)先機(jī)。

　　Agilent

　　Agilent主要的產(chǎn)品為第二代的CIF(352*288)HDCS-1020和第二代的VGA(640*480)HDCS-2020，主要應(yīng)用在數(shù)碼相機(jī) 、行動(dòng)電話(huà)、PDA、PC Camera等新興的資訊家電產(chǎn)品之中，此外Agilent在2000年另一成功策略是和Logitech與Microsoft這兩家公司策略聯(lián)盟，打入了光學(xué)鼠標(biāo)產(chǎn)品領(lǐng)域，但是這是非常低階的CMOS產(chǎn)品，而且不是為了捕捉影像 ，所以在做影像感測(cè)器的全球統(tǒng)計(jì)時(shí)并未將此數(shù)量一并加入，但是此舉可看出Agilent以CMOS技術(shù)為基礎(chǔ)進(jìn)軍光學(xué)元件的規(guī)劃意圖。

　　Photobit

　　Photobit在2000年獲得較大成功。2001年P(guān)hotobit率先研發(fā)出PB-0330產(chǎn)品型號(hào)的CMOS圖像傳感器，此產(chǎn)品特色具備單一晶片邏輯轉(zhuǎn)數(shù)位的變頻器，它是第二代1/4寸的VGA(640 x 480)，同時(shí)也推出PB-0111產(chǎn)品型號(hào)的CMOS影像感測(cè)器，是第二代1/5寸的CIF(352 x 288)。Photobit推出這兩種產(chǎn)品主要針對(duì)數(shù)碼相機(jī)和PC Camera這些近年來(lái)蓬勃發(fā)展的數(shù)位化產(chǎn)品，和OmniVision CIF(352 x 288)定位在行動(dòng)電話(huà)市場(chǎng)上有所區(qū)隔，其推出CIF(352 x 288)和VGA(640 x 480)這兩種不同解析程度的影像感測(cè)器，行銷(xiāo)范圍意圖含蓋低階和中高階市場(chǎng)。

　　其它公司

　　特色的是Sanyo，該公司致力于改善CCD 傳感器的功耗，以相機(jī)電話(huà)為主要應(yīng)用目標(biāo)，之前J-Phone率先推出的Sharp J-SHxx系列便是采用Sanyo的CIF級(jí)CCD傳感器，Sharp、Toshiba等手機(jī)廠家也計(jì)劃在02年4季度~03年1季度之間陸續(xù)引入 Sanyo的VGA產(chǎn)品。Matsushita、Sharp的產(chǎn)品規(guī)劃與Sony相差不多，主要差異在于Matsushita準(zhǔn)備推出更小的400萬(wàn)象素 (1/2.7英寸)與130萬(wàn)象素(1/4英寸)產(chǎn)品。

　　發(fā)展前景

　　專(zhuān)家們認(rèn)為，21世紀(jì)初全球CMOS圖像傳感器市場(chǎng)將在PC攝像機(jī)、移動(dòng)通信市場(chǎng)、數(shù)碼相機(jī)、攝像機(jī)市場(chǎng)市場(chǎng)等領(lǐng)域獲得大幅度增長(zhǎng)，在未來(lái)的幾年時(shí)間內(nèi)，在130 萬(wàn)像素至200萬(wàn)像素之下的產(chǎn)品中，將開(kāi)始以CMOS傳感器為主流。以小型化和低功耗CMOS圖像傳感器為核心的攝像機(jī)正在成為消費(fèi)類(lèi)產(chǎn)品的主流，上述領(lǐng)域?qū)閳D像傳感器市場(chǎng)帶來(lái)巨大發(fā)展[2]。

　　業(yè)界動(dòng)態(tài)

　　2009年8月28日，秋季數(shù)碼影像新品發(fā)布會(huì)在北京隆重舉行，宣布在三條產(chǎn)品線(xiàn)推出共十款數(shù)碼影像新品。其中 DSC-TX1和DSC-WX1應(yīng)用了新型影像傳感器Exmor R CMOS影像傳感器，它采用先進(jìn)的背照射技術(shù)，其對(duì)光線(xiàn)的靈敏度比傳統(tǒng)的CMOS影像傳感器提高了約2倍，大幅提升了拍攝畫(huà)質(zhì)，得到明亮畫(huà)面的同時(shí)更好地降噪，使得在低照度條件下仍然可以獲得細(xì)節(jié)豐富的照片，造就卓越的夜間拍攝性能。該傳感器具備1020萬(wàn)有效像素，支持從ISO100~ISO3200的感光度范圍，并支持720p的高畫(huà)質(zhì)動(dòng)態(tài)影像視頻拍攝。性能強(qiáng)大的Exmor R MOS配合BIONZ影像處理器，可以快速準(zhǔn)確地處理海量信息，使DSC TX1和WX1具備了手持夜景模式、全景拍攝、動(dòng)作防抖和每秒約10張。

　　電子公司提高CMOS傳感器靈敏度的背面照射(BSI：backside illumination)技術(shù)達(dá)到了實(shí)用化水平，2010年將批量生產(chǎn)產(chǎn)品。三家大型CMOS傳感器公司均將在2010年開(kāi)始量產(chǎn)采用背面照射技術(shù)的 CMOS傳感器(BSI型CMOS傳感器)。三星在工藝技術(shù)方面將采用適于降低成本的方法。之所以著手從事BSI技術(shù)，是因?yàn)橥ㄟ^(guò)提高靈敏度能夠維持相同的靈敏度同時(shí)縮小像素間距。據(jù)該公司估算，1.4μm間距的BSI型能夠獲得與基于現(xiàn)有技術(shù)的FSI(Front Side Illumination)型1.75μm間距產(chǎn)品相同的畫(huà)質(zhì)。同一像素間距，BSI型的靈敏度可以比FIS型高30%。三星為在今后量產(chǎn)1.1μm間距產(chǎn)品等間距更小的元件，將增加BSI型的比例。該公司計(jì)劃把2010年首批量產(chǎn)的BSI型CMOS傳感器做成支持1460萬(wàn)像素和30幀/秒的元件。預(yù)計(jì)將配備于數(shù)碼相機(jī)、數(shù)碼攝像機(jī)及高端手機(jī)等設(shè)備上

　　擴(kuò)展光譜靈敏度和提高分辨率是大趨勢(shì)

　　在現(xiàn)代CMOS圖像傳感器中，一個(gè)重要的發(fā)展趨勢(shì)是其光譜靈敏度擴(kuò)展到了近紅外區(qū)NIR(至約1，100nm的波長(zhǎng))。配備了IM-001 CMOS圖像傳感器的汽車(chē)應(yīng)用將改善霧穿透力和夜視能力。由于工業(yè)圖像捕獲技術(shù)開(kāi)始運(yùn)用更多波長(zhǎng)位于NIR之中的光源，而且生物技術(shù)也在利用該光譜區(qū)域中的有趣現(xiàn)象，因此，新開(kāi)發(fā)的IBIS 5-AE-1300傳感器具有700～900nm的NIR靈敏度。

　　在面向消費(fèi)應(yīng)用的圖像捕獲技術(shù)中，另一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)是繼續(xù)提高分辨率。到2005年年中，70%左右的手機(jī)相機(jī)已具有VGA格式分辨率(640×480像素);但隨后的2006年，幾百萬(wàn)像素的傳感器就將占領(lǐng)50%的市場(chǎng)份額，而到2008年，其市場(chǎng)占有率預(yù)計(jì)將進(jìn)一步攀升至90%以上。為此，賽普拉斯公司開(kāi)發(fā)了一種用于蜂窩電話(huà)的300萬(wàn)像素圖像傳感器，該產(chǎn)品采用了Autobrite技術(shù)，可進(jìn)行12位模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換，并提供了72dB的寬廣動(dòng)態(tài)范圍，而目前市面上的10位模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器的動(dòng)態(tài)范圍僅為60dB。逐行掃描模式中的幀速率高達(dá)30幀/秒，因而可錄制實(shí)況視頻節(jié)目。

　　在工業(yè)和商業(yè)領(lǐng)域中，這種發(fā)展趨勢(shì)也很明顯：賽普拉斯已推出一款用于Kodak數(shù)碼相機(jī)的1，300萬(wàn)像素/35mm圖像傳感器，另外，660萬(wàn)像素的IBIS 4-6600傳感器正在一種面向弱視人群的自動(dòng)閱讀輔助裝置中證明自己的卓越品質(zhì)--它可在一幅完整的標(biāo)準(zhǔn)A4頁(yè)面上提供出色的分辨率。

　　憑借技術(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成 由于蜂窩電話(huà)、數(shù)碼相機(jī)、MP3播放機(jī)和PDA等傳統(tǒng)分離型功能設(shè)備的加速數(shù)字融合(即成為一部緊湊的消費(fèi)型電子產(chǎn)品)，導(dǎo)致人們?cè)絹?lái)越希望至少具有部分自主性的子系統(tǒng)能夠在一部設(shè)備中提供極為寬泛的功能。這種趨勢(shì)還將對(duì)專(zhuān)業(yè)測(cè)量技術(shù)產(chǎn)生影響：利用包含一個(gè)數(shù)碼相機(jī)、PDA用戶(hù)接口和WLAN聯(lián)網(wǎng)能力的便攜式檢驗(yàn)工具，光測(cè)試和監(jiān)視的應(yīng)用范圍將得到有效的拓展。作為一種平臺(tái)技術(shù)，CMOS符合這一發(fā)展潮流：CCD圖像轉(zhuǎn)換器仍然需要采用外部邏輯電路來(lái)實(shí)現(xiàn)控制和模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換功能，而CMOS標(biāo)準(zhǔn)邏輯器件則能夠把傳感器、控制器、轉(zhuǎn)換器和評(píng)估邏輯電路等全部集成到一塊芯片之中。

　　一個(gè)典型的例子如專(zhuān)門(mén)針對(duì)要求苛刻的消費(fèi)應(yīng)用而制作的CYIWCSC1300AA芯片的圖像捕獲電路。它基于130萬(wàn)像素圖像傳感器CYIWOSC1300AA 和一個(gè)用于提供誤差插補(bǔ)、黑電平調(diào)整、透鏡校正、信號(hào)互串校正、彩色馬賽克修補(bǔ)、彩色校正、自動(dòng)曝光、噪聲抑制、和γ校正等等諸多功能的附加信號(hào)處理器。集成更多的系統(tǒng)功能(一直到自主型光電傳感器系統(tǒng))是可行的，這主要取決于諸如市場(chǎng)容量和開(kāi)發(fā)成本等經(jīng)濟(jì)目標(biāo)和限制因素。

　　IMS Research公司的市場(chǎng)分析家John Morse指出：“工業(yè)圖像處理市場(chǎng)的變化非?？欤还馐窃诩夹g(shù)層面上，而且還涉及近期發(fā)生的制造商合并事件。我們認(rèn)為這種趨勢(shì)還將繼續(xù)下去?！惫嫒绱?，那么這同樣適用于賽普拉斯公司：通過(guò)收購(gòu)MIT(美國(guó)麻省理工學(xué)院)于1999年成立的SMal Camera Technologies公司，賽普拉斯已將其業(yè)務(wù)觸角延伸到了消費(fèi)和汽車(chē)領(lǐng)域;而兼并FillFactory(這是一家于1999年從總部位于比利時(shí)Leuven的歐洲微電子和納米技術(shù)研究中心IMEC抽資脫離而成的公司)則使賽普拉斯進(jìn)一步躋身工業(yè)領(lǐng)域。

　　CMOS圖像傳感器市場(chǎng)正在蓬勃發(fā)展之中，即將成為一個(gè)大規(guī)模市場(chǎng)。它在很大程度上仍然依賴(lài)于客戶(hù)專(zhuān)用設(shè)計(jì)來(lái)滿(mǎn)足規(guī)格和系統(tǒng)集成方面的一組定制要求。不過(guò)，它將越來(lái)越多地提供通用的標(biāo)準(zhǔn)解決方案。分辨率、幀速率和靈敏度的提高以及成本的下降正使其應(yīng)用領(lǐng)域不斷地?cái)U(kuò)大。要的一環(huán)。

　　像素結(jié)構(gòu)

　　CMOS傳感器按為像素結(jié)構(gòu)分被動(dòng)式與主動(dòng)式兩種。

　　被動(dòng)式像素結(jié)構(gòu)

　　被動(dòng)式像素結(jié)構(gòu)(Passive Pixel Sensor.簡(jiǎn)稱(chēng)PPS)，又叫無(wú)源式。它由一個(gè)反向偏置的光敏二極管和一個(gè)開(kāi)關(guān)管構(gòu)成。光敏二極管本質(zhì)上是一個(gè)由P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體組成的PN結(jié)，它可等效為一個(gè)反向偏置的二極管和一個(gè)MOS電容并聯(lián)。當(dāng)開(kāi)關(guān)管開(kāi)啟時(shí)，光敏二極管與垂直的列線(xiàn)(Column bus)連通。位于列線(xiàn)末端的電荷積分放大器讀出電路(Charge integrating amplifier)保持列線(xiàn)電壓為一常數(shù)，當(dāng)光敏二極管存貯的信號(hào)電荷被讀出時(shí)，其電壓被復(fù)位到列線(xiàn)電壓水平，與此同時(shí)，與光信號(hào)成正比的電荷由電荷積分放大器轉(zhuǎn)換為電荷輸出。

　　主動(dòng)式像素結(jié)構(gòu)

　　主動(dòng)式像素結(jié)構(gòu)(Active Pixel Sensor.簡(jiǎn)稱(chēng)APS)，又叫有源式，如圖2所示。 幾乎在CMOS PPS像素結(jié)構(gòu)發(fā)明的同時(shí)，人們很快認(rèn)識(shí)到在像素內(nèi)引入緩沖器或放大器可以改善像素的性能，在CMOS APS中每一像素內(nèi)都有自己的放大器。集成在表面的放大晶體管減少了像素元件的有效表面積，降低了“封裝密度”，使40%～50%的入射光被反射。這種傳感器的另一個(gè)問(wèn)題是，如何使傳感器的多通道放大器之間有較好的匹配，這可以通過(guò)降低殘余水平的固定圖形噪聲較好地實(shí)現(xiàn)。由于CMOS APS像素內(nèi)的每個(gè)放大器僅在此讀出期間被激發(fā)，所以CMOS APS的功耗比CCD圖像傳感器的還小。

　　填充因數(shù)與量子效率

　　這填充因數(shù)(Fill Factor)，又叫充滿(mǎn)因數(shù)，它指像素上的光電二極管相對(duì)于像素表面的大小。量子效率(Quantun efficiency)是指一個(gè)像素被光子撞擊后實(shí)際和理論值電子數(shù)的歸一化值。被動(dòng)式像素結(jié)構(gòu)的電荷填充因數(shù)通?？蛇_(dá)到70%，因此量子效率高。但光電二極管積累的電荷通常很小，很易受到雜波干擾。再說(shuō)像素內(nèi)部又沒(méi)有信號(hào)放大器，只依賴(lài)垂直總線(xiàn)終端放大器，因而讀出的信號(hào)雜波很大，其S/N比低，更因不同位置的像素雜波大小不一樣(固定圖形噪波FPN)而影響整個(gè)圖像的質(zhì)量。而主動(dòng)性像素結(jié)構(gòu)與被動(dòng)式相比，它在每個(gè)像素處增加了一個(gè)放大器，可以將光電二極管積累的電荷轉(zhuǎn)換成電壓進(jìn)行放大，大大提高了S/N比，從而提高了傳輸過(guò)程中抗干擾的能力。但由于放大器占據(jù)了過(guò)多的像素面積，因而它的填充因數(shù)相對(duì)較低，一般在25%-35%之間。

　　CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)，中文學(xué)名為互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體，它本是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)一種重要的芯片，保存了系統(tǒng)引導(dǎo)基本的資料。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。后來(lái)發(fā)現(xiàn)CMOS經(jīng)過(guò)加工也可以作為數(shù)碼攝影中的圖像傳感器，CMOS傳感器也可細(xì)分為被動(dòng)式像素傳感器(Passive Pixel Sensor CMOS)與主動(dòng)式像素傳感器(Active Pixel Sensor CMOS)

　　CMOS傳感器介紹

　　當(dāng)今的CMOS圖像轉(zhuǎn)換技術(shù)不僅服務(wù)于“傳統(tǒng)的”工業(yè)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(fèi)應(yīng)用所接納。此外，它還能確保汽車(chē)駕駛時(shí)的高安全性和舒適性。初，CMOS圖像傳感器被應(yīng)用于工業(yè)圖像處理;在那些旨在提高生產(chǎn)率、質(zhì)量和生產(chǎn)工藝經(jīng)濟(jì)性的全新自動(dòng)化解決方案中，它至今仍然是至關(guān)重要的一環(huán)。

　　據(jù)市場(chǎng)研究公司IMS Research的預(yù)測(cè)，在未來(lái)的幾年中，歐洲工業(yè)圖像處理市場(chǎng)的年成長(zhǎng)率將達(dá)到6%，其中，在相機(jī)中集成了軟件功能的智能型解決方案的市場(chǎng)份額將不斷擴(kuò)大。在德國(guó)，據(jù)其全國(guó)工具機(jī)供應(yīng)商協(xié)會(huì)VDMA提供的數(shù)據(jù)，2004年的圖像處理市場(chǎng)增長(zhǎng)率達(dá)到了14%。市場(chǎng)調(diào)研公司In-Stat/MDR亦指出，單就圖像傳感器的次級(jí)市場(chǎng)而言，其年成長(zhǎng)率將高達(dá)30%以上，而且這種情況將持續(xù)到2008年。為重要的是：CMOS傳感器的成長(zhǎng)速度將達(dá)到CCD傳感器的七倍，照相手機(jī)和數(shù)碼相機(jī)的迅速普及是這種需求的主要推動(dòng)因素。

　　顯然，人們?nèi)绱丝春肅MOS圖像轉(zhuǎn)換器的成長(zhǎng)前景是基于這樣一個(gè)事實(shí)，即：與壟斷該領(lǐng)域長(zhǎng)達(dá)30多年的CCD技術(shù)相比，它能夠更好地滿(mǎn)足用戶(hù)對(duì)各種應(yīng)用中新型圖像傳感器不斷提升的品質(zhì)要求，如更加靈活的圖像捕獲、更高的靈敏度、更寬的動(dòng)態(tài)范圍、更高的分辨率、更低的功耗以及更加優(yōu)良的系統(tǒng)集成等。此外，CMOS圖像轉(zhuǎn)換器還造就了一些迄今為止尚不能以經(jīng)濟(jì)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)的新穎應(yīng)用。另外，還有一些有利于CMOS傳感器的“軟”標(biāo)準(zhǔn)在起作用，包括：應(yīng)用支持、抗輻射性、快門(mén)類(lèi)型、開(kāi)窗口和光譜覆蓋率等。不過(guò)，這種區(qū)別稍帶幾分任意性，因?yàn)檫@些標(biāo)準(zhǔn)的重要程度將由于應(yīng)用的不同(消費(fèi)、工業(yè)或汽車(chē))而發(fā)生變化。

　　細(xì)節(jié)表現(xiàn)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(chǎng)景的照片是一件相當(dāng)普通的事情，照相手機(jī)同樣如此。但是，對(duì)于工業(yè)或汽車(chē)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，情況就大不一樣了：有些場(chǎng)合并不需要很高的全幀數(shù)據(jù)速率。比如，在監(jiān)控?cái)z像機(jī)中，只要能夠發(fā)現(xiàn)一幅場(chǎng)景中出現(xiàn)的變化(因?yàn)檫@種變化可能預(yù)示著某種可疑情況)，那么分辨率低一點(diǎn)也是完全可以接受的。在此基礎(chǔ)之上才需要借助全分辨率來(lái)采集更多的細(xì)節(jié)信息。跟著發(fā)生的動(dòng)作將只在攝像機(jī)視場(chǎng)的某一部分當(dāng)中進(jìn)行播放，而且，在所捕獲的場(chǎng)景中，只有這一部分才是監(jiān)控人員所關(guān)注的。

　　對(duì)于只提供全幀圖像的CCD圖像傳感器而言，只有采用一個(gè)分離的評(píng)估電路才能夠提供兩個(gè)觀測(cè)角度，這意味著處理時(shí)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(chǔ)位均可單獨(dú)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(kāi)窗口則允許隨機(jī)選擇一塊感興趣的區(qū)域。

　　CMOS傳感器優(yōu)勢(shì)

　　CMOS傳感器獲得廣泛應(yīng)用的一個(gè)前提是其所擁有的較高靈敏度、較短曝光時(shí)間和日漸縮小的像素尺寸。像素靈敏度的一個(gè)衡量尺度是填充因子(感光面積與整個(gè)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(shù)量)的乘積。CCD傳感器因其技術(shù)的固有特性而擁有一個(gè)很大的填充因子。而在CMOS圖像傳感器中，為了實(shí)現(xiàn)堪與CCD轉(zhuǎn)換器相媲美的噪聲指標(biāo)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(dǎo)致填充因子降低，原因是像素表面相當(dāng)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(dāng)今CMOS傳感器的一個(gè)重要的開(kāi)發(fā)目標(biāo)就是擴(kuò)大填充因子。賽普拉斯(FillFactory)通過(guò)其獲得專(zhuān)利授權(quán)的一項(xiàng)技術(shù)，可以大幅度地提高填充因子，這種技術(shù)可以把一顆標(biāo)準(zhǔn)CMOS硅芯片的一部分面積變?yōu)橐粔K感光區(qū)域。

　　另外，對(duì)于一個(gè)典型的工業(yè)用圖象傳感器而言，由于許多場(chǎng)景的拍攝都是在照明條件很差的情況下進(jìn)行的，因此擁有較大的動(dòng)態(tài)范圍將是十分有益的。CMOS圖像傳感器通過(guò)多斜率操作實(shí)現(xiàn)了這一目標(biāo)：轉(zhuǎn)換曲線(xiàn)由傾度不同的直線(xiàn)部分所組成，它們共同形成了一個(gè)非線(xiàn)性特征曲線(xiàn)。因此，一幅場(chǎng)景的黑暗部分有可能占據(jù)集成模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換范圍的很大一部分：轉(zhuǎn)換特征曲線(xiàn)在這里為陡峭，以實(shí)現(xiàn)高靈敏度和對(duì)比度。特征曲線(xiàn)上半部分的平整化將在圖像的明亮部分捕獲幾個(gè)數(shù)量級(jí)的過(guò)度曝光，并以一個(gè)更加細(xì)致的標(biāo)度來(lái)表現(xiàn)它們。采用多斜率的方式來(lái)運(yùn)作LUPA-4000將使高達(dá)90dB的光動(dòng)態(tài)范圍與一個(gè)10位A/D轉(zhuǎn)換范圍相匹配。

　　具有VGA分辨率的IM-001系列CMOS圖像傳感器在此基礎(chǔ)上更進(jìn)一步;它們是專(zhuān)為汽車(chē)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。其像素由光電二極管組成，可提供高達(dá)120dB的自適應(yīng)動(dòng)態(tài)范圍。面向汽車(chē)應(yīng)用的ACM 100相機(jī)模塊就采用了這些傳感器，這種相機(jī)模塊據(jù)稱(chēng)是同類(lèi)產(chǎn)品中率先面市的全集成化相機(jī)解決方案：該視覺(jué)解決方案被看作是面向駕駛者保護(hù)、防撞、夜視支持和輪胎跟蹤導(dǎo)向的未來(lái)汽車(chē)安全系統(tǒng)的關(guān)鍵元件。

　　此外，對(duì)于獨(dú)立于電網(wǎng)的便攜式應(yīng)用而言，以低功耗特性而著稱(chēng)的CMOS技術(shù)還具有一個(gè)明顯的優(yōu)勢(shì)：CMOS圖像傳感器是針對(duì)5V和3.3V電源電壓而設(shè)計(jì)的。而CCD芯片則需要大約12V的電源電壓，因此不得不采用一個(gè)電壓轉(zhuǎn)換器，從而導(dǎo)致功耗增加。在總功耗方面，把控制和系統(tǒng)功能集成到CMOS傳感器中將帶來(lái)另一個(gè)好處：它去除了與其他半導(dǎo)體元件的所有外部連接線(xiàn)。其高功耗的驅(qū)動(dòng)器如今已遭棄用，這是因?yàn)樵谛酒瑑?nèi)部進(jìn)行通信所消耗的能量要比通過(guò)PCB或襯底的外部實(shí)現(xiàn)方式低得多。