圖像傳感器的基本知識(shí)

圖像傳感器是傳感技術(shù)中最主要的一個(gè)分支，廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域，它是PC機(jī)多媒體大世界今后不可缺少的外設(shè)，也是保安監(jiān)控產(chǎn)業(yè)中最核心的器件，包括光電鼠標(biāo)、支持數(shù)碼照相技術(shù)的手機(jī)以及消費(fèi)電子、醫(yī)藥和工業(yè)市場(chǎng)中的各種新應(yīng)用。每種應(yīng)用都有其獨(dú)特的客戶期望、技術(shù)挑戰(zhàn)和系統(tǒng)要求。

　　圖像傳感器根據(jù)元件不同分為CCD、CMOS。

　　CMOS圖像傳感器和CCD攝像器件在20年前幾乎是同時(shí)起步的。CCD(Charge Coupled Device，電荷耦合元件)是應(yīng)用在攝影攝像方面的高端技術(shù)元件，CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor，金屬氧化物半導(dǎo)體元件)則應(yīng)用于較低影像品質(zhì)的產(chǎn)品中。由于CCD器件有光照靈敏度高、噪音低、像素小等優(yōu)點(diǎn)，所以在過(guò)去15年里它一直主宰著圖像傳感器市場(chǎng)。與之相反，CMOS圖像傳感器過(guò)去存在著像素大、信噪比小、分辨率低這些缺點(diǎn)，一直無(wú)法和CCD技術(shù)抗衡。但是隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的不斷發(fā)展，過(guò)去CMOS圖像傳感器制造工藝中不易解決的技術(shù)難關(guān)現(xiàn)已都能找到相應(yīng)解決的途徑，從而大大改善了CMOS圖像傳感器的圖像質(zhì)量。目前CMOS單元面積的像素?cái)?shù)已可與CCD單元面積的像素?cái)?shù)相比，從而使CMOS圖像傳感器也可以做到高分辨率。如果能將CMOS黑白與彩色圖像傳感器的信噪比再提高10dB，光照靈敏度再提高4～5倍，那么CMOS圖像傳感器取代CCD器件就指日可待了。如果再考慮到CMOS圖像傳感器具有體積小、功耗低、高集成這些過(guò)去沒(méi)有得到充分發(fā)揮的優(yōu)點(diǎn)，在今后都能得到充分發(fā)揮，那么一個(gè)嶄新的圖像技術(shù)時(shí)代即將來(lái)臨。據(jù)保守的估計(jì)，到2002年，CCD圖像器件市場(chǎng)的一半將被CMOS圖像傳感器取代。

　　CCD：電荷藕合器件圖像傳感器CCD(Charge Coupled Device)，它使用一種高感光度的半導(dǎo)體材料制成，能把光線轉(zhuǎn)變成電荷，通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)壓縮以后由相機(jī)內(nèi)部的閃速存儲(chǔ)器或內(nèi)置硬盤(pán)卡保存，因而可以輕而易舉地把數(shù)據(jù)傳輸給計(jì)算機(jī)，并借助于計(jì)算機(jī)的處理手段，根據(jù)需要和想像來(lái)修改圖像。CCD由許多感光單位組成，通常以百萬(wàn)像素為單位。當(dāng)CCD表面受到光線照射時(shí)，每個(gè)感光單位會(huì)將電荷反映在組件上，所有的感光單位所產(chǎn)生的信號(hào)加在一起，就構(gòu)成了一幅完整的畫(huà)面。

　　CMOS：互補(bǔ)性氧化金屬半導(dǎo)體CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor)和CCD一樣同為在數(shù)碼相機(jī)中可記錄光線變化的半導(dǎo)體。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?C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。然而，CMOS的缺點(diǎn)就是太容易出現(xiàn)雜點(diǎn), 這主要是因?yàn)樵缙诘脑O(shè)計(jì)使CMOS在處理快速變化的影像時(shí)，由于電流變化過(guò)于頻繁而會(huì)產(chǎn)生過(guò)熱的現(xiàn)象。

　　CIS(Contact Image Sensor)：接觸式圖像傳感器于八十年代末應(yīng)運(yùn)而生，它是由CMOS工藝制作的傳感器IC組成陣列，陣列的長(zhǎng)度與原稿相同，光路由CIS本體決定，具有體積小、光路短等特點(diǎn)，組成的系統(tǒng)體積也小，而且安裝簡(jiǎn)單，不需要調(diào)整光路，解決了圖像光學(xué)信號(hào)均勻性和部件體積問(wèn)題，便于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的小型化。

　　CCD的優(yōu)勢(shì)在于成像質(zhì)量好，但是由于制造工藝復(fù)雜，只有少數(shù)的廠商能夠掌握，所以導(dǎo)致制造成本居高不下，特別是大型CCD，價(jià)格非常高昂。在相同分辨率下，CMOS價(jià)格比CCD便宜，但是CMOS器件產(chǎn)生的圖像質(zhì)量相比CCD來(lái)說(shuō)要低一些。到目前為止，市面上絕大多數(shù)的消費(fèi)級(jí)別以及高端數(shù)碼相機(jī)都使用CCD作為感應(yīng)器;CMOS感應(yīng)器則作為低端產(chǎn)品應(yīng)用于一些攝像頭上，若有哪家攝像頭廠商生產(chǎn)的攝想頭使用CCD感應(yīng)器，廠商一定會(huì)不遺余力地以其作為賣(mài)點(diǎn)大肆宣傳，甚至冠以“數(shù)碼相機(jī)”之名。一時(shí)間，是否具有CCD感應(yīng)器變成了人們判斷數(shù)碼相機(jī)檔次的標(biāo)準(zhǔn)之一。

　　CMOS影像傳感器的優(yōu)點(diǎn)之一是電源消耗量比CCD低，CCD為提供優(yōu)異的影像品質(zhì)，付出代價(jià)即是較高的電源消耗量，為使電荷傳輸順暢，噪聲降低，需由高壓差改善傳輸效果。但CMOS影像傳感器將每一畫(huà)素的電荷轉(zhuǎn)換成電壓，讀取前便將其放大，利用3.3V的電源即可驅(qū)動(dòng)，電源消耗量比CCD低。CMOS影像傳感器的另一優(yōu)點(diǎn)，是與周邊電路的整合性高，可將ADC與訊號(hào)處理器整合在一起，使體積大幅縮小。

　　從產(chǎn)品的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)看，無(wú)論是CCD還是CMOS，其體積小型化及高像素化仍是業(yè)界積極研發(fā)的目標(biāo)。因?yàn)橄袼卮髣t圖像產(chǎn)品的分辨率越高，清晰度越好，體積越小，其應(yīng)用面更廣泛。

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