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CMOS圖像傳感器在安防攝像機(jī)中的應(yīng)用

   2012年02月24日 08:54  
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zui耀眼的明星產(chǎn)品之一,而在圖像傳感器中,CCD傳感器與新興成長的 CMOS Sensor也逐漸找到自己的應(yīng)用市場,希望成為市場上的主流技術(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Image Sensor (影像傳感器) IC組件市場分析,2010年Image Sensor 組件應(yīng)用市場規(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)正成長趨勢。TRI預(yù)估在2012年Image Sensor市場之規(guī)模將近8.5億美元;Image Sensor*尤以CMOS Sensor之比重為高,平均占比約在9成左右。

  針對CMOS Sensor市場規(guī)模分析,2010年CMOS Sensor 組件整體市場規(guī)模為6.3億美元,占整體Image Sensor市場89%,整體市場趨勢平均維持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,未來成長幅度趨緩進(jìn)入產(chǎn)業(yè)成長成熟期,TRI預(yù)估CMOS Sensor在2011年年成長率為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zui重要的影像傳感器應(yīng)用組件,其中應(yīng)用占比zui高的為通訊電子商品,占整體CMOS Sensor市場的70%,而CMOS Sensor市場的主要應(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)的平板電腦市場是CMOS Sensor成長zui快的應(yīng)用市場。

  安防攝像機(jī)的應(yīng)用市場占圖像傳感器市場值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,開始打入長久為CCD Sensor獨(dú)占的市場,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是在同步信號和時(shí)鐘信號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,電路簡單,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。

  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需求的推動(dòng)下,關(guān)鍵技術(shù)不斷取得突破。對于用戶關(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CMOS大廠的不斷改進(jìn),CMOS還繼續(xù)在成像的通透性、對實(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zui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100萬像素就需要對其生產(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

  ISP是CMOS和CCD攝像機(jī)中的重要器件,ISP主要負(fù)責(zé)對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。

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