CMOS成像技術(shù)讓照相功能大顯身手

關(guān)鍵詞： CMOS , 成像 , 照相

互補(bǔ)型金屬氧化物半導(dǎo)體( CMOS)成像技術(shù)已經(jīng)成為眾多新興攝像頭應(yīng)用的首選。數(shù)字成像隨著1969年電荷耦合器件( CCD)的發(fā)明而誕生，但在此后的30年間，它一直未能成為主流的圖像采集技術(shù)。二十世紀(jì)九十年代中期，因美國航空航天局噴氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了有源像素體系結(jié)構(gòu)，CMOS技術(shù)才在取景方面得到飛速方展，CMOS傳感器業(yè)已穩(wěn)步立足市場，正引領(lǐng)業(yè)界朝著新的發(fā)展方向邁進(jìn)。CCD技術(shù)無法在廣泛的成像應(yīng)用領(lǐng)域競爭，我們可能會(huì)看到，它將向越來越專業(yè)化的方向發(fā)展，為諸如DSLR等專業(yè)領(lǐng)域服務(wù)，最終走上Betamax錄像帶和vinyl LP錄像的道路。

CMOS傳感器的優(yōu)勢

1．低功耗

有源像素CMOS傳感器的功耗只有20到50毫瓦。這樣低的功耗能夠大幅延長手機(jī)或數(shù)碼相機(jī)的電池使用壽命。  

2．標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體制造平臺

CMOS圖像傳感器是在標(biāo)準(zhǔn)DRAM裸片上生產(chǎn)的，具有成本合理、生產(chǎn)便利的特點(diǎn)。另外， DRAM制造工藝本身具有降低泄漏電流的特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)低噪聲工作，獲得清晰、銳利的圖像質(zhì)量。  

3．更小的電路板體積

CMOS圖像傳感器在一個(gè)裸片中集成了多項(xiàng)攝像頭功能，降低了芯片數(shù)量，提高了可靠性，簡化了小型化過程，并且降低了總成本。  

4．運(yùn)行速度快

CMOS的有源像素技術(shù)可以驅(qū)動(dòng)圖像陣列的列總線高速傳輸，其芯片附帶的 模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)可以更容易地驅(qū)動(dòng)高速信號進(jìn)行芯片傳輸。這兩項(xiàng)特性為機(jī)器視覺和運(yùn)動(dòng)分析應(yīng)用提供了巨大優(yōu)勢。  

5．更大的靈活性

CMOS裝置的行列尋址功能與基本DRAM相似，能夠提供關(guān)注窗口度數(shù)，并且支持芯片電子搖攝、傾斜和變焦。這些功能可以為需要圖像壓縮、運(yùn)動(dòng)探測或目標(biāo)跟蹤的應(yīng)用提供更大的靈活性。靈活的尋址特性與高速CMOS相結(jié)合為設(shè)計(jì)人員改善自動(dòng)對焦和自動(dòng)曝光提供了眾多選擇。  

6．供應(yīng)穩(wěn)定

CMOS產(chǎn)品采用基于DRAM的制造工藝，能夠提供足夠的產(chǎn)量、準(zhǔn)備時(shí)間、產(chǎn)能和預(yù)期優(yōu)勢。  

7．可更快推向市場

CMOS圖像傳感器結(jié)構(gòu)簡單，進(jìn)行應(yīng)用設(shè)計(jì)時(shí)，方便快捷，能夠?qū)⒆罱K產(chǎn)品快速推向市場，并立刻產(chǎn)生效益。  

8．芯片集成了組件或完整的攝像頭系統(tǒng)

CMOS傳感器靈活性強(qiáng)，制造時(shí)既可以作為獨(dú)立組件，也可與數(shù)字圖像流處理器相結(jié)合，建立完整的芯片攝像頭系統(tǒng)(SOC)解決方案。 SOC可執(zhí)行一系列復(fù)雜的處理功能，其中包括色彩還原、色彩修正、銳化及自動(dòng)曝光。集成式SOC進(jìn)一步簡化了應(yīng)用設(shè)計(jì)，降低了芯片數(shù)量，使設(shè)計(jì)人員能夠最大程度利用電路板空間。

諸如智能電話和手持設(shè)備以及筆記本電腦等高質(zhì)量消費(fèi)產(chǎn)品，以及智能汽車市場和監(jiān)控/安全市場都具有很大的需求，直到如今，使用傳統(tǒng)的CCD成像技術(shù)無法輕松滿足這些需求。

移動(dòng)電話：CMOS的最忠實(shí)擁護(hù)者

為手機(jī)設(shè)計(jì)的攝像頭從入門級設(shè)計(jì)到功能豐富的多媒體設(shè)備種類繁多。預(yù)計(jì)到2008年，全球售出的新攝像頭手機(jī)中有超過75%至少配有一個(gè)攝像頭，有超過5%具有兩個(gè)攝像頭。截止2007年底，手機(jī)的年銷售額達(dá)10億部，用戶安裝數(shù)量超過10億部。

攝像頭手機(jī)正在成為消費(fèi)攝影領(lǐng)域中的新角色。通常消費(fèi)者不會(huì)隨身攜帶數(shù)碼相機(jī)，但是會(huì)隨身攜帶具有攝像頭的手機(jī)，隨行隨拍。攝像頭手機(jī)能夠讓用戶隨時(shí)記錄并分享生活中容易錯(cuò)過的美好瞬間。

目前VGA(640×480像素)和130萬像素(1280×960像素)仍是攝像手機(jī)中的主流分辨率，這樣的打印質(zhì)量無法滿足消費(fèi)者的期望。目前業(yè)界正趨向于為手機(jī)設(shè)計(jì)200萬像素(1600×1200像素)和300萬像素(2048×1536像素)圖像傳感器，讓用戶能夠在4×6英寸格式到8.5×11英寸格式下打印清晰銳利的圖片。

除了分辨率和圖像傳感器質(zhì)量外，攝像頭大小對于手機(jī)市場也非常重要。四分之一英寸或更小的袖珍光學(xué)格式是如今主流手持設(shè)備的關(guān)鍵設(shè)計(jì)要求。最新像素技術(shù)已能夠?qū)崿F(xiàn)1.75微米像素，并能在保持優(yōu)異畫質(zhì)情況下使用8x8mm格式實(shí)現(xiàn)300萬像素分辨率。

解決圖像質(zhì)量和尺寸問題后，功耗成為手機(jī)市場的另一個(gè)主要障礙。CMOS的設(shè)計(jì)具有更低的耗電量，可以為設(shè)計(jì)人員提供更長的電池壽命，或者為更小的手持設(shè)備提供體積更小的電池。

同時(shí)實(shí)現(xiàn)攝像頭的拍照和視頻功能

無論是購買攝像手機(jī)還是數(shù)碼相機(jī)，消費(fèi)者都需要同一臺設(shè)備同時(shí)具有視頻和照片拍攝功能。因?yàn)镃MOS具有成本低、體積小、靈活性強(qiáng)的優(yōu)勢，更容易滿足這些要求。

消費(fèi)者需要攝像頭具有高分辨率視頻和高速圖像捕獲等高級功能，但又不想支付過高的價(jià)格。另外，隨著通訊條件的飛速進(jìn)步，計(jì)算能力的提升，以及網(wǎng)絡(luò)帶寬的增加，消費(fèi)者能夠輕松地管理和共享他們拍攝的美好瞬間。

CMOS瞄準(zhǔn)快速增長的網(wǎng)絡(luò)攝像頭市場

伴隨免費(fèi)網(wǎng)絡(luò)電話、即時(shí)消息和高質(zhì)量成像技術(shù)的出現(xiàn)，視頻聊天正在朋友、家人和同事之間迅速流行開來。目前大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)攝像頭還是只有VGA或130萬像素分辨率的傳統(tǒng)“連線”式攝像頭，但市場正在向用于筆記本電腦和平板顯示器的200萬像素或更高分辨率的方向穩(wěn)步發(fā)展。

CMOS攝像頭具有較快的幀速率，能夠捕捉銳利、清晰的視頻圖像和較高的動(dòng)態(tài)范圍，可以在不同光照條件下確保較高的圖像質(zhì)量，CMOS攝像頭的這些優(yōu)點(diǎn)都有助于推動(dòng)視頻聊天的采用。

使用CMOS成像技術(shù)實(shí)現(xiàn)更安全、更智能的駕駛

隨著技術(shù)更先進(jìn)的汽車和商用交通工具的上路，成像功能成為一項(xiàng)能夠?yàn)轳{駛員提供更好視野的實(shí)用功能，這些功能增強(qiáng)應(yīng)用還包括車道偏離警告和自動(dòng)巡航控制系統(tǒng)等。車輛使用的成像功能主要用于場景查看和場景處理應(yīng)用。在場景查看應(yīng)用中，CMOS攝像頭用于提高駕駛員對周圍景物的認(rèn)識。汽車場景查看應(yīng)用的實(shí)例包括停車輔助、尾部和側(cè)面視頻觀察、乘客查看、后視鏡替代/輔助以及生物識別/安全。

在場景處理應(yīng)用中，攝像頭捕獲環(huán)境信息，并將這些信息發(fā)送到車輛的數(shù)據(jù)系統(tǒng)，幫助車輛“了解”周圍情況，處理信息，并做出反應(yīng)。例如，在車輛位于巡航模式下并且與前車距離過近時(shí)，攝像頭能夠提供接近距離數(shù)據(jù)，從而讓車輛執(zhí)行自動(dòng)剎車等輔助操作。場景處理功能可以讓您的駕駛體驗(yàn)更安全、更方便。用于場景處理的攝像頭必須能夠在所有光照級別和極端溫度下正常工作。

因?yàn)檐囃獾木拔镌陔S時(shí)變化，攝像頭必須具有比實(shí)時(shí)要求更高的采樣速率，才能避免車輛碰撞。攝像頭必須能夠在不需要額外圖像重建處理情況下，清晰顯示出場景。汽車場景理解方面的應(yīng)用實(shí)例包括：適應(yīng)性巡航控制、碰撞避讓/行人保護(hù)、車道監(jiān)察和偏離警告、疲勞監(jiān)測、風(fēng)擋玻璃雨刷器控制和遠(yuǎn)光暗化。

汽車環(huán)境對于攝像頭來說非常惡劣。攝像頭必須承受極強(qiáng)的光照和極端的溫度，并與多種不同體系結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)集成，并且需要始終穩(wěn)定工作。具體來說，需要將汽車部件設(shè)計(jì)為能夠承受-40°C到+85°C的溫度范圍，對于一些特定裝置，工作時(shí)與存放時(shí)的耐受溫度范圍分別為-40°C至+105°C和-40°C至+125°C。

許多汽車場景處理應(yīng)用需要具有較高的動(dòng)態(tài)范圍，以執(zhí)行一些重要功能。從技術(shù)角度來說，450nm–1,050nm＞40% QE at 550nm的光譜范圍可以檢測到從深藍(lán)(DB)到近紅外(NIR)光譜，峰值相應(yīng)與人眼范圍相似。需要使用電子卷簾快門(ERS)提供優(yōu)異的視頻捕捉性能(特別是在低光照條件下)。  

CMOS著眼新興市場：安保與監(jiān)控

隨著安保與監(jiān)控?cái)z像頭市場在全球范圍內(nèi)不斷擴(kuò)大，成像質(zhì)量更高、功能豐富、價(jià)格合理的攝像頭成為需求的重點(diǎn)。CMOS攝像頭能夠?yàn)榘脖?yīng)用提供一系列固有的技術(shù)優(yōu)勢，這些優(yōu)勢包括優(yōu)秀的圖像性能、較高的動(dòng)態(tài)范圍、低噪聲、更高的幀速率和更小的體積。

基于CMOS的安保圖像傳感器設(shè)計(jì)簡單，能夠在低光照條件下提供優(yōu)異的成像性能，具有近紅外和低于可見燭光(等于一支點(diǎn)燃蠟燭發(fā)出的光亮)的成像能力。

普通住戶需要低成本、高質(zhì)量并且可以自己安裝的攝像頭解決方案，這種需求推動(dòng)了消費(fèi)級安保攝像頭市場的發(fā)展，用戶可以自己安裝、維護(hù)并操作這些家用解決方案。以前可供DIY的攝像系統(tǒng)多數(shù)都存在圖像閃爍和模糊的問題。為滿足消費(fèi)者的需求，各廠商正在利用基于高質(zhì)量CMOS的圖像傳感器設(shè)計(jì)產(chǎn)品，提供成本低、性能好的攝像頭系統(tǒng)，以抓住這個(gè)新的市場機(jī)會(huì)。用于家用安保市場的CMOS成像技術(shù)主要具有以下優(yōu)勢：VGA或百萬像素分辨率； NTSC或 PAL格式的數(shù)模輸出；適用于簡單攝像頭模塊設(shè)計(jì)和更少組件數(shù)目的片載系統(tǒng)(SOC)攝像頭；不使用馬達(dá)或任何移動(dòng)部件而通過搖攝、傾斜和變焦功能實(shí)現(xiàn)寬廣視場，并且可以隨時(shí)掃描傳感器的整個(gè)視場顯示其中的任意區(qū)域。

對商用攝像頭市場，重要的是攝像頭應(yīng)具有在同一地點(diǎn)的大動(dòng)態(tài)范圍光照條件下捕捉清晰、銳利、顏色逼真的圖像的能力，并且能夠捕捉寬廣的視場。商用安保市場的CMOS成像技術(shù)具有以下主要優(yōu)勢：

具有數(shù)百萬像素的分辨率，支持每秒15幀(fps)的全屏幕和每秒30幀及以上的子窗口，非常適合需要監(jiān)控整個(gè)房間或視野的攝像頭應(yīng)用，或者深入探查，聚焦于小而重要的細(xì)節(jié)。  

在高達(dá)100dB的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，與CCD成像器相比，能使攝像頭從動(dòng)態(tài)范圍更寬的場景中捕獲到詳細(xì)信息，設(shè)計(jì)成本也更低。  

不使用馬達(dá)或任何移動(dòng)部件而通過電子搖攝、傾斜和變焦功能功能實(shí)現(xiàn)寬廣視場，可以隨時(shí)掃描傳感器的整個(gè)視場顯示其中的任意區(qū)域。  

如配備魚眼鏡頭，可提供完整的全景視野。  

日常生活對于高質(zhì)量成像技術(shù)的需求不斷增長，最后這種需求成為了現(xiàn)實(shí)。CMOS圖像傳感器在功耗、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和片載功能集方面具有眾多優(yōu)勢，所有這些優(yōu)勢縮短了產(chǎn)品推向市場的時(shí)間，增強(qiáng)了產(chǎn)品的競爭力。CMOS圖像傳感器基本代表了最先進(jìn)的成像技術(shù)，將成為未來幾年圖像傳感器市場的主流。