標籤:CCDCMOS

圖像感測器,是組成數字攝像頭的重要組成部分。根據元件的不同,可分為CCD(Charge Coupled Device,電荷耦合元件)和CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor,金屬氧化物半導體元件)兩大類。

1概述

應用範圍
CMOS圖像感測器

  CMOS圖像感測器

像感測器屬於光電產業里的光電元件類,隨著數碼技術、半導體製造技術以及網路的迅速發展,目前市場和業界都面臨著跨越各平台的視訊、影音、通訊大整合時代的到來,勾划著未來人類的日常生活的美景。以其在日常生活中的應用,無疑要屬數碼相機產品,其發展速度可以用日新月異來形容。短短的幾年,數碼相機就由幾十萬像素,發展到400、500萬像素甚至更高。不僅在發達的歐美國家,數碼相機已經佔有很大的市場,就是在發展中的中國,數碼相機的市場也在以驚人的速度在增長,因此,其關鍵零部件——圖像感測器產品就成為當前以及未來業界關注的對象,吸引著眾多廠商投入。以產品類別區分,圖像感測器產品主要分為CCD、CMOS以及CIS感測器三種。本文將主要簡介CCD以及CMOS感測器的技術和產業發展現狀。
高解析度
(High Resolution):像點的大小為μm級,可感測及識別精細物體,提高影像品質。從早期1寸、1/2寸、2/3寸、1/4寸到最近推出的1/9寸,像素數目從初期的10多萬增加到現在的400~500萬像素;
動態範圍廣
(High Dynamic Range):同時偵測及分辨強光和弱光,提高系統環境的使用範圍,不因亮度差異大而造成信號反差現象。
大面積感光
(Large Field of View):利用半導體技術已可製造大面積的CCDD晶片,目前與傳統底片尺寸相當的35mm的CCD已經開始應用在數碼相機中,成為取代專業有利光學相機的關鍵元件;
光譜響應廣(Broad Spectral Response):能檢測很寬波長範圍的光,增加系統使用彈性,擴大系統應用領域;
體積小、重量輕
CCD具備體積小且重量輕的特性,因此,可容易地裝置在人造衛星及各式導航系統上;
飛利普公司的優勢
具有業界最大尺寸的CCD感測器,在數碼相機的應用中,其35mm尺寸的CCD已經應用在「Contax」的數碼相機中,成為專業數碼相機的代言人。其次該公司還具有獨特的「Frame-Transfer CCD」(面掃描)技術,該產品在應用中,可實現每秒30-60幅的速率。這是真正視頻信號的速度。
傳統CCD
傳統CCD使用的是矩形的感光單元,而富士公司2年前研製的「SuperCCD(超級蜂窩結構)使用的是八邊形的感光單元,使用了蜂巢的八邊形結構,因此其感光單元面積要高於傳統CCD。這樣會獲得三個好處,一是可以提高CCD的感光度、二是提高動態範圍、三是提高了信噪比。這三個優點加上SuperCCD更高的生成像素成為富士公司在數碼相機產品上的最大賣點。
市場
CMOS圖像感測器屬於新興產品市場,其市場佔有率變化不如成熟產業那般恆常不變,例如在1999年時,CMOS市場中,按照出貨比例排名依序為Agilent、OmniVision、STM和Hyundai,其市場佔有率分別為24%、22%、14%和14%,其中STM是歐洲廠商,Hyundai是韓國廠商;但只經過一年後的市場競爭,Agilent和OmniVision出貨排名順序仍然分居一、二,且市場佔有率分別提升到37.7%和30.8%,而STM落居第四,市場佔有率大幅滑落至4.8%,至於Hyundai更是大幅衰退只剩2.1%的市場佔有率,值得一提的是Photobi在2000年度的大幅成長,全球市場佔有率快速成長至13.7%,排名全球第三。這三家廠商出貨量就佔全球出貨量的82.2%。從中可以分析,這個產業的廠商集中度相當密集,所以觀察上述三家廠商的近期動態和發展,可看出許產業和技術未來發展方向。
Agilent主要的產品為第二代的CIF(352*288)HDCS-1020和第二代的VGA(640*480)HDCS-2020,主要應用在數碼相機 、行動電話、PDA、PC Camera等新興的資訊家電產品之中,此外Agilent在2000年另一成功策略是和Logitech與Microsoft這兩家公司策略聯盟,打入了光學滑鼠產品領域,但是這是非常低階的CMOS產品,而且不是為了捕捉影像 ,所以在做影像感測器的全球統計時並未將此數量一併加入,但是此舉可看出Agilent以CMOS技術為基礎進軍光學元件的規劃意圖。
OmniVision它主要的產品包括︰CIF(352 x 288)、VGA(640 x 480)、SVGA(800 x 600)和SXGA(1280 x 1024)。目前Omnivision開發的130萬像素等級的CMOS圖像感測器正在被業界大量應用在數碼相機中。業界一般認為,百萬像素為使用CMOS和CCD的分水嶺,CMOS成功跨進這一市場,足以說明CMOS技術發展對市場的滲透度,未來可能將取代CCD成為中低檔影像產品的不留應用。Omnivision在2001年5月開發的CIF(352 x 288)等級的CMOS感測器,其特色為低秏電,目標市場定位在行動電話上,其產品發展策略和各大研究調查機構不謀而合,目前在行動電話市場上,CMOS模組的攝相模塊已經成為移動通訊應用的最大量產品。
Photobit在2000年獲得較大成功。2001年Photobit率先研發出PB-0330產品型號的CMOS圖像感測器,此產品特色具備單一晶片邏輯轉數位的變頻器,它是第二代1/4寸的VGA(640 x 480),同時也推出PB-0111產品型號的CMOS影像感測器,是第二代1/5寸的CIF(352 x 288)。Photobit推出這兩種產品主要針對數碼相機和PC Camera這些近年來蓬勃發展的數位化產品,和OmniVision CIF(352 x 288)定位在行動電話市場上有所區隔,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器,行銷範圍意圖含蓋低階和中高階市場。
去年業界發展了CMOS圖像感測器新技術--C3D。C3D技術的最大特點就是像素反應的均一性。C3D技術重新定義了成像器的性能(即把系統的整體性能包括在內)並提高了CMOS圖像感測器在均一性和暗電流方面的標準性能。
今年初,美國Foveon公司公開展示了其最新發展的Foveon X3技術,立即引起業界的高度關注。Foveon X3是全球第一款可以在一個像素上捕捉全部色彩的圖像感測器陣列。傳統的光電耦合器件只能感應光線強度,不能感應色彩信息,需要通過濾色鏡來感應色彩信息,我們稱之為Bayer濾鏡。而Foveon X3在一個像素上通過不同的深度來感應色彩,最表面一層感應藍色、第二層可以感應綠色,第三層感應紅色。它是根據硅對不同波長光線的吸收效應來達到一個像素感應全部色彩信息,目前已經有了使用這種技術的CMOS圖像感測器,其應用產品是「Sigma SD9」數碼相機。
這項革新技術可以提供更加銳利的圖像,更好的色彩,比起以前的圖像感測器,X3是第一款通過內置硅光電感測器來檢測色彩的。Foveon X3的技術對於傳統半導體感光技術來說有很大的突破,也有顛覆傳統技術的效果,相信Foveon X3會有很好的前景。
在高解析度像素產品方面,日前台灣銳視科技已領先業界批量推出了210萬像素的CMOS圖像感測器,而且已有美商與台灣的光學鏡頭廠合作,將在第三季推出此款CMOS感測器結合鏡頭的模組,CMOS應用已經開始在200萬像素數碼相機產品中應用。
CMOS線陣圖像感測器DLIS-2K ---世界上最快的單埠重新配置的線性圖像感測器 測量範圍:200nm~1100nm 輸出信號:數字型 DLIS-2K線陣圖像感測器包括4行像素,每行有2081個光學像素和16黑像素。其中3行為4 x 4 micron方形像素,另一行為4x32 micron長方形像素。通過運用 Correlated Multi-Sampling (CMS)方法,其等效靈敏度可達160 V/lux-s。每一行可任意控制曝光及輸出。此外,背景採樣可使用常規 Correlated Double Sampling (CDS)值或設為用戶控制的環境光值。感測器由3線串口控制,集成了我們的專利技術 high speed Distributed 8 to 11 bit Analog to Digital Converter (D/AD), XtremeIX 和 Active column sensor technologies 來最大的實現應用功能。 拓展閱讀: 2k的家族DLIS -可配置的線掃描CMOS圖像感測器。該DLIS - 2K的感測器都是使用大樓的先進光電二極體(APD)的像素的進程,並與潘那維申專利的成像像素的IP架構。這些重新配置的線性圖像感測器以低成本提供高性能,並結合高靈敏度,高速,多功能,以解決消費者,工業,汽車和科技市場中的許多應用。 據分析,從全球工業公司是世界圖像感測器市場價值預計報告117億美元上升到2012年。 Overall,圖像感測器已經擴張,如攝錄機,保安和電腦攝像頭,攜帶型通信設備和消費電子應用,在工業和商業部門的領域,如生物識別技術,機器視覺,廣播,電影攝影機和藥品。在汽車行業,有角速率增加,佔用座位,巡航控制感測器,車道偏離系統和后視相機的需求。 該DLIS - 2K的成像儀是四線感測器,具有11位A / D轉換,高動態範圍,以及相關的多採樣(CMS)的提高靈敏度。該感測器可用於光譜學,條形碼,觸摸屏,光學字元識別,機器視覺,測量和其他應用程序。在這些專利技術的進步使產品在圖像採集與讀出,包括靈活性:環境光減法,過採樣,非破壞性讀取模式,不同的集成,自動閾值和一個120MHz的像素讀出了前所未有的高解析度模式裝箱。 該DLIS感測器周圍環境的結合到12位數字化和自動閾值光減法。這提供一個簡單的二進位輸出晶元,允許對條碼,觸摸屏或任何應用程序,需要找到一個位置或一個系統的許多部件的質心去除。用戶還可以輸入模擬信號,即應用程序可能需要有數字化。該操作模式可以混合或匹配,有四個可能的組合像素為許多不同應用的最佳解決方案,讓行。 「我們的目標是要解決在一個高度競爭力的價格點,擴大條碼和一個可編程的圖像感測器觸摸屏市場。塔的CMOS圖像感測器技術和製造能力是世界一流,我們的設計團隊之間和塔的工程師密切的互動有助於我們實現快速上馬生產,說:「傑弗里Zarnowski,潘那維申影像公司首席技術官。 「我們很高興潘那維申的線性圖像感測器的家庭,因為這些產品將極大地推動各類市場的無數的設備生產的能力。通過結合我們的高級光電二極體(APD)的像素的進程,並與潘那維申公司的專利成像架構像素的IP,我們已經啟用的成像特徵以前沒有線性成像實現的,博士說:「阿維斯特魯姆,副總裁兼總經理塔的專業業務部塔半導體。 利用塔的0.18微米技術使片上,位可選,模擬到數字轉換器,以及更高的數據傳輸速率比前產品。塔的APD的過程中表現出改善和像素的IP為超過標準光電二極體靈敏度高電荷轉移特性。該塔的技術和潘那維申影像與建築結合,使靈敏度4 × 32微米的像素超過100伏/ Lux.Sec。 潘納維申影像(Panavision Imaging)

3主要參數

了解CCD和CMOS晶元的成像原理和主要參數對於產品的選型時非常重要的。同樣,相同的晶元經過不同的設計製造出的相機性能也可能有所差別。
  CCD和CMOS的主要參數有以下幾個:
  1. 像元尺寸
  像元尺寸指晶元像元陣列上每個像元的實際物理尺寸,通常的尺寸包括14um,10um, 9um , 7um , 6.45um ,3.75um 等。像元尺寸從某種程度上反映了晶元的對光的響應能力,像元尺寸越大,能夠接收到的光子數量越多,在同樣的光照條件和曝光時間內產生的電荷數量越多。對於弱光成像而言,像元尺寸是晶元靈敏度的一種表徵。
  2. 靈敏度
  靈敏度是晶元的重要參數之一,它具有兩種物理意義。一種指光器件的光電轉換能力,與響應率的意義相同。即晶元的靈敏度指在一定光譜範圍內,單位曝光量的輸出信號電壓(電流),單位可以為納安/勒克斯nA/Lux、伏/瓦(V/W)、伏/勒克斯(V/Lux)、伏/流明(V/lm)。另一種是指器件所能感測的對地輻射功率(或照度),與探測率的意義相同,。單位可用瓦(W)或勒克斯(Lux)表示。
  3. 壞點數
  由於受到製造工藝的限制,對於有幾百萬像素點的感測器而言,所有的像元都是好的情況幾乎不太可能,壞點數是指晶元中壞點(不能有效成像的像元或相應不一致性大於參數允許範圍的像元)的數量,換點數是衡量晶元質量的重要參數。
  4. 光譜響應
  光譜響應是指晶元對於不同光波長光線的響應能力,通常用光譜響應曲線給出。

4結論

從產品的技術發展趨勢看,無論是CCD還是CMOS,其體積小型化及高像素化仍是業界積極研發的目標。因為像素尺寸小則圖像產品的解析度越高、清晰度越好、體積越小,其應用面更廣泛。
從上述二種圖像感測器解析度來看,未來將有幾年時間,以130萬像素至200萬像素為界,之上的應用領域中,將仍以CCD主流,之下的產品中,將開始以CMOS感測器為主流。業界分析今年底至明年初,將有300萬像素的CMOS上市,預測CMOS市場應用超越CCD的時機一般在2004年-2005年。
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