图像传感器

图像传感器，是组成数字摄像头的重要组成部分。根据元件的不同，可分为CCD（Charge Coupled Device，电荷耦合元件）和CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor，金属氧化物半导体元件）两大类。

         CCD是应用在摄影摄像方面的高端技术元件，CMOS则应用于较低影像品质的产品中，它的优点是制造成本较CCD更低，功耗也低得多，这也是市场很多采用USB接口的产品无须外接电源且价格便宜的原因。尽管在技术上有较大的不同，但CCD和CMOS两者性能差距不是很大，只是CMOS摄像头对光源的要求要高一些，但现在该问题已经基本得到解决。目前CCD元件的尺寸多为1/3英寸或者1/4英寸，在相同的分辨率下，宜选择元件尺寸较大的为好。图像传感器又叫感光元件。
         图 像传感器属于光电产业里的光电元件类，随着数码技术、半导体制造技术以及网络的迅速发展，目前市场和业界都面临着跨越各平台的视讯、影音、通讯大整合时代的到来，勾划着未来人类的日常生活的美景。以其在日常生活中的应用，无疑要属数码相机产品，其发展速度可以用日新月异来形容。短短的几年，数码相机就由几十万像素，发展到400、500万像素甚至更高。不仅在发达的欧美国家，数码相机已经占有很大的市场，就是在发展中的中国，数码相机的市场也在以惊人的速度在增长，因此，其关键零部件——图像传感器产品就成为当前以及未来业界关注的对象，吸引着众多厂商投入。以产品类别区分，图像传感器产品主要分为CCD、CMOS以及CIS传感器三种。本文将主要简介CCD以及CMOS传感器的技术和产业发展现状。
         感光器件是工业摄像机最为核心的部件，图像传感器有CMOS和CCD两种。CCD特有的工艺，具有低照度效果好、信噪比高、通透感强、色彩还原能力佳等优点，在交通、医疗等高端领域中广泛应用。由于其成像方面的优势，在很长时间内还会延续采用，但同时由于其成本高、功耗大也制约了其市场发展的空间。
        CMOS传感器采用一般半导体电路最常用的CMOS工艺，具有集成度高、功耗小、速度快、成本低等特点，最近几年在宽动态、低照度方面发展迅速。CMOS即互补性金属氧化物半导体，主要是利用硅和锗两种元素所做成的半导体，通过CMOS上带负电和带正电的晶体管来实现基本的功能。这两个互补效应所产生的电流即可被处理芯片记录和解读成影像。
        在模拟摄像机以及标清网络摄像机中，CCD的使用最为广泛，长期以来都在市场上占有主导地位。CCD的特点是灵敏度高，但响应速度较低，不适用于高清监控摄像机采用的高分辨率逐行扫描方式，因此进入高清监控时代以后，CMOS逐渐被人们所认识，高清监控摄像机普遍采用CMOS感光器件。
        CMOS针对CCD最主要的优势就是非常省电。不像由二级管组成的CCD和CMOS电路几乎没有静态电量消耗。这就使得CMOS的耗电量只有普通CCD的1/3左右，CMOS重要问题是在处理快速变换的影像时，由于电流变换过于频繁而过热，暗电流抑制的好就问题不大，如果抑制的不好就十分容易出现噪点。
        目前已经研发出720P与1080P专用的背照式CMOS器件，其灵敏度性能已经与CCD接近。与表面照射型CMOS传感器相比，背照式CMOS在灵敏度（S/N）上具有很大优势，显著提高低光照条件下的拍摄效果，因此在低照度环境下拍摄，能够大幅降低噪点。
        虽然目前以CMOS技术为基础的百万像素摄像机产品在低照度环境和信噪处理方面存在不足，但这并不会根本上影响它的应用前景。而且相关国际大企业正在加大力度解决这两个问题，相信在不久的将来，CMOS的效果会越来越接近CCD的效果，并且CMOS设备的价格会低于CCD设备。
        安防行业使用CMOS多于CCD已经成为不争的事实，尽管相同尺寸的CCD传感器分辨率优于CMOS传感器，但如果不考虑尺寸限制，CMOS在量率上的优势可以有效克服大尺寸感光原件制造的困难，这样CMOS在更高分辨率下将更有优势。另外，CMOS响应速度比CCD快，因此更适合高清监控的大数据量特点。
        [1]CCD与CMOS在不同的应用场景下各有优势，但随着CMOS工艺和技术的不断提升，以及高端CMOS价格的不断下降，相信在安防行业高清摄像机未来的发展中，CMOS将占据越来越越重要的地位。

        CCD（Charged Coupled Device）于1969年在贝尔试验室研制成功，之后由日商等公司开始量产，其发展历程已经将近30多年，从初期的10多万像素已经发展至目前主流应用的500万像素。CCD又可分为线型（Linear）与面型（Area）两种，其中线型应用于影像扫瞄器及传真机上，而面型主要应用于数码相机（DSC）、摄录影机、监视摄影机等多项影像输入产品上。

一般认为，CCD传感器有以下优点：
（High Resolution）：像点的大小为μm级，可感测及识别精细物体，提高影像品质。从早期1寸、1/2寸、2/3寸、1/4寸到最近推出的1/9寸，像素数目从初期的10多万增加到现在的400～500万像素；
（Low Noise）高敏感度：CCD具有很低的读出杂讯和暗电流杂讯，因此提高了信噪比（SNR），同时又具高敏感度，很低光度的入射光也能侦测到，其讯号不会被掩盖，使CCD的应用较不受天候拘束；
（High Dynamic Range）：同时侦测及分辨强光和弱光，提高系统环境的使用范围，不因亮度差异大而造成信号反差现象。
（Linearity）：入射光源强度和输出讯号大小成良好的正比关系，物体资讯不致损失，降低信号补偿处理成本；
高光子转换效率（High Quantum Efficiency ）：很微弱的入射光照射都能被记录下来，若配合影像增强管及投光器，即使在暗夜远处的景物仍然还可以侦测得到；
（Large Field of View）：利用半导体技术已可制造大面积的CCDD晶片，目前与传统底片尺寸相当的35mm的CCD已经开始应用在数码相机中，成为取代专业有利光学相机的关键元件；
光谱响应广（Broad Spectral Response）：能检测很宽波长范围的光，增加系统使用弹性，扩大系统应用领域；
（Low Image Distortion）：使用CCD感测器，其影像处理不会有失真的情形，使原物体资讯忠实地反应出来；
CCD具备体积小且重量轻的特性，因此，可容易地装置在人造卫星及各式导航系统上；
不受强电磁场影响；
9.　电荷传输效率佳：该效率系数影响信噪比、解像率，若电荷传输效率不佳，影像将变较模糊；
10.　可大批量生产，品质稳定，坚固，不易老化，使用方便及保养容易。
        根据In-Stat在2001时对全球图像传感器的研究报告中指出，CCD产业前七大厂商皆为日系厂商，占了全球98.5%的市场份额，在技术发展方面，目前较有特色的主要厂商应为索尼、飞利普和柯达公司。
         具有业界最大尺寸的CCD传感器，在数码相机的应用中，其35mm尺寸的CCD已经应用在“Contax”的数码相机中，成为专业数码相机的代言人。其次该公司还具有独特的“Frame-Transfer CCD”（面扫描）技术，该产品在应用中，可实现每秒30-60幅的速率。这是真正视频信号的速度。
        柯达的CCD采用了广受好评的ITO　CCD（氧化铟锡）技术，而不是传统的聚硅化合物。其特点是敏锐度更高，透光性比一般CCD提高了20%，对于一般CCD感应较弱的蓝光以及抗杂讯干扰方面有突破性的改善，其对蓝光感应能力提高了2.5倍，同时大幅降低了杂讯干扰，使影像更强锐利、色彩更加准确，为专业数码摄影提供了高解析度、锐利度的影像。
        传统CCD使用的是矩形的感光单元，而富士公司2年前研制的“SuperCCD（超级蜂窝结构）使用的是八边形的感光单元，使用了蜂巢的八边形结构，因此其感光单元面积要高于传统CCD。这样会获得三个好处，一是可以提高CCD的感光度、二是提高动态范围、三是提高了信噪比。这三个优点加上SuperCCD更高的生成像素成为富士公司在数码相机产品上的最大卖点。

        CMOS图像传感器于80年代发明以来，由于当时CMOS工艺制程的技术不高，以致于传感器在应用中的杂讯较大，商品化进程一直较慢。时至今日，CMOS传感器的应用范围也开始非常的广泛，包括数码相机 、PC Camera、影像电话、第三代手机、视讯会议、智能型保全系统、汽车倒车雷达、玩具，以及工业、医疗等用途。在低档产品方面，其画质质量已接近低档CCD的解析度，相关业者希望用CMOS器件取代CCD的努力正在逐渐明朗。CMOS传感器有可细分为：被动式像素传感器CMOS（Passive Pixel Sensor CMOS）与主动式像素传感器CMOS（Active Pixel Sensor CMOS）。
        与CCD相比，CMOS具有体积小，耗电量不到CCD的1/10，售价也比CCD便宜1/3的优点。
        与CCD产品相比，CMOS是标准工艺制程，可利用现有的半导体设备，不需额外的投资设备，且品质可随著半导体技术的提升而进步。同时，全球晶圆厂的CMOS生产线较多，日后量产时也有利于成本的降低。另外，CMOS传感器的最大优势，是它具有高度系统整合的条件。理论上，所有图像传感器所需的功能，例如垂直位移、水平位移暂存器、时序控制、CDS、ADC…等，都可放在集成在一颗晶片上，甚至于所有的晶片包括后端晶片（Back-end Chip）、快闪记忆体（Flash RAM）等也可整合成单晶片（SYSTEM-ON-CHIP），以达到降低整机生产成本的目的。
        正因为此，目前投入研发、生产的厂商较多，美国有30多家，欧洲7家，日本约8家，韩国1家，台湾有8家。而居全球翘楚地位的厂商是Agilent(HP)，其市场占有率51%、ST(VLSI Vision)占16%、Omni Vision占13%、现代占8%、Photobit约占5%，这五家合计市占率达93%。
        根据In-Stat统计资料显示，CMOS传感器的全球销售额到2004年可望突破18亿美元，CMOS将以62%的年复合成长率快速成长，逐步侵占CCD器件的应用领域。特别是在去年快速发展的手机应用领域中，以CMOS图像传感器为主的摄相模块将占领其80%以上的应用市场。
        在业界，与CCD传感器不同另一点是CMOS目前占据市场主要地位的是北美厂商，前三大厂商为Agilent、OmniVision和Photobit。因此图像传感器业界的技术、产业竞争，实质上是日本和北美双雄争霸的局面。
         CMOS图像传感器属于新兴产品市场，其市场占有率变化不如成熟产业那般恒常不变，例如在1999年时，CMOS市场中，按照出货比例排名依序为Agilent、OmniVision、STM和Hyundai，其市场占有率分别为24%、22%、14%和14%，其中STM是欧洲厂商，Hyundai是韩国厂商；但只经过一年后的市场竞争，Agilent和OmniVision出货排名顺序仍然分居一、二，且市场占有率分别提升到37.7%和30.8%，而STM落居第四，市场占有率大幅滑落至4.8%，至于Hyundai更是大幅衰退只剩2.1%的市场占有率，值得一提的是Photobi在2000年度的大幅成长，全球市场占有率快速成长至13.7%，排名全球第三。这三家厂商出货量就占全球出货量的82.2%。从中可以分析，这个产业的厂商集中度相当密集，所以观察上述三家厂商的近期动态和发展，可看出许产业和技术未来发展方向。
        Agilent主要的产品为第二代的CIF（352*288）HDCS-1020和第二代的VGA（640*480）HDCS-2020，主要应用在数码相机 、行动电话、PDA、PC Camera等新兴的资讯家电产品之中，此外Agilent在2000年另一成功策略是和Logitech与Microsoft这两家公司策略联盟，打入了光学鼠标产品领域，但是这是非常低阶的CMOS产品，而且不是为了捕捉影像 ，所以在做影像感测器的全球统计时并未将此数量一并加入，但是此举可看出Agilent以CMOS技术为基础进军光学元件的规划意图。
        OmniVision它主要的产品包括︰CIF（352 x 288）、VGA（640 x 480）、SVGA（800 x 600）和SXGA（1280 x 1024）。目前Omnivision开发的130万像素等级的CMOS图像传感器正在被业界大量应用在数码相机中。业界一般认为，百万像素为使用CMOS和CCD的分水岭，CMOS成功跨进这一市场，足以说明CMOS技术发展对市场的渗透度，未来可能将取代CCD成为中低档影像产品的不留应用。Omnivision在2001年5月开发的CIF(352 x 288)等级的CMOS传感器，其特色为低秏电，目标市场定位在移动电话上，其产品发展策略和各大研究调查机构不谋而合，目前在移动电话市场上，CMOS模组的摄相模块已经成为移动通讯应用的最大量产品。
       Photobit在2000年获得较大成功。2001年Photobit率先研发出PB-0330产品型号的CMOS图像传感器，此产品特色具备单一晶片逻辑转数位的变频器，它是第二代1/4寸的VGA（640 x 480），同时也推出PB-0111产品型号的CMOS影像感测器，是第二代1/5寸的CIF（352 x 288）。Photobit推出这两种产品主要针对数码相机和PC Camera这些近年来蓬勃发展的数位化产品，和OmniVision CIF（352 x 288）定位在行动电话市场上有所区隔，其推出CIF（352 x 288）和VGA（640 x 480）这两种不同解析程度的影像感测器，行销范围意图含盖低阶和中高阶市场。
        去年业界发展了CMOS图像传感器新技术--C3D。C3D技术的最大特点就是像素反应的均一性。C3D技术重新定义了成像器的性能（即把系统的整体性能包括在内）并提高了CMOS图像传感器在均一性和暗电流方面的标准性能。
        今年初，美国Foveon公司公开展示了其最新发展的Foveon X3技术，立即引起业界的高度关注。Foveon X3是全球第一款可以在一个像素上捕捉全部色彩的图像传感器阵列。传统的光电耦合器件只能感应光线强度，不能感应色彩信息，需要通过滤色镜来感应色彩信息，我们称之为Bayer滤镜。而Foveon X3在一个像素上通过不同的深度来感应色彩，最表面一层感应蓝色、第二层可以感应绿色，第三层感应红色。它是根据硅对不同波长光线的吸收效应来达到一个像素感应全部色彩信息，目前已经有了使用这种技术的CMOS图像传感器，其应用产品是“Sigma SD9”数码相机。
        这项革新技术可以提供更加锐利的图像，更好的色彩，比起以前的图像传感器，X3是第一款通过内置硅光电传感器来检测色彩的。Foveon X3的技术对于传统半导体感光技术来说有很大的突破，也有颠覆传统技术的效果，相信Foveon X3会有很好的前景。
      在高分辨率像素产品方面，日前台湾锐视科技已领先业界批量推出了210万像素的CMOS图像传感器，而且已有美商与台湾的光学镜头厂合作，将在第三季推出此款CMOS传感器结合镜头的模组，CMOS应用已经开始在200万像素数码相机产品中应用。
       CMOS线阵图像传感器DLIS-2K －－－世界上最快的单端口重新配置的线性图像传感器 测量范围：200nm~1100nm 输出信号：数字型 DLIS-2K线阵图像传感器包括4行像素，每行有2081个光学像素和16黑像素。其中3行为4 x 4 micron方形像素，另一行为4x32 micron长方形像素。通过运用 Correlated Multi-Sampling (CMS)方法，其等效灵敏度可达160 V/lux-s。每一行可任意控制曝光及输出。此外，背景采样可使用常规 Correlated Double Sampling (CDS)值或设为用户控制的环境光值。传感器由3线串口控制，集成了我们的专利技术 high speed Distributed 8 to 11 bit Analog to Digital Converter (D/AD), XtremeIX 和 Active column sensor technologies 来最大的实现应用功能。 拓展阅读： 2k的家族DLIS -可配置的线扫描CMOS图像传感器。该DLIS - 2K的传感器都是使用大楼的先进光电二极管（APD）的像素的进程，并与潘那维申专利的成像像素的IP架构。这些重新配置的线性图像传感器以低成本提供高性能，并结合高灵敏度，高速，多功能，以解决消费者，工业，汽车和科技市场中的许多应用。 据分析，从全球工业公司是世界图像传感器市场价值预计报告117亿美元上升到2012年。 Overall，图像传感器已经扩张，如摄录机，保安和电脑摄像头，便携式通信设备和消费电子应用，在工业和商业部门的领域，如生物识别技术，机器视觉，广播，电影摄影机和药品。在汽车行业，有角速率增加，占用座位，巡航控制传感器，车道偏离系统和后视相机的需求。 该DLIS - 2K的成像仪是四线传感器，具有11位A / D转换，高动态范围，以及相关的多采样（CMS）的提高灵敏度。该传感器可用于光谱学，条形码，触摸屏，光学字符识别，机器视觉，测量和其他应用程序。在这些专利技术的进步使产品在图像采集与读出，包括灵活性：环境光减法，过采样，非破坏性读取模式，不同的集成，自动阈值和一个120MHz的像素读出了前所未有的高解析度模式装箱。 该DLIS传感器周围环境的结合到12位数字化和自动阈值光减法。这提供一个简单的二进制输出芯片，允许对条码，触摸屏或任何应用程序，需要找到一个位置或一个系统的许多部件的质心去除。用户还可以输入模拟信号，即应用程序可能需要有数字化。该操作模式可以混合或匹配，有四个可能的组合像素为许多不同应用的最佳解决方案，让行。 “我们的目标是要解决在一个高度竞争力的价格点，扩大条码和一个可编程的图像传感器触摸屏市场。塔的CMOS图像传感器技术和制造能力是世界一流，我们的设计团队之间和塔的工程师密切的互动有助于我们实现快速上马生产，说：“杰弗里Zarnowski，潘那维申影像公司首席技术官。 “我们很高兴潘那维申的线性图像传感器的家庭，因为这些产品将极大地推动各类市场的无数的设备生产的能力。通过结合我们的高级光电二极管（APD）的像素的进程，并与潘那维申公司的专利成像架构像素的IP，我们已经启用的成像特征以前没有线性成像实现的，博士说：“阿维斯特鲁姆，副总裁兼总经理塔的专业业务部塔半导体。 利用塔的0.18微米技术使片上，位可选，模拟到数字转换器，以及更高的数据传输速率比前产品。塔的APD的过程中表现出改善和像素的IP为超过标准光电二极管灵敏度高电荷转移特性。该塔的技术和潘那维申影像与建筑结合，使灵敏度4 × 32微米的像素超过100伏/ Lux.Sec。 潘纳维申影像（Panavision Imaging）

        从产品的技术发展趋势看，无论是CCD还是CMOS，其体积小型化及高像素化仍是业界积极研发的目标。因为像素尺寸小则图像产品的分辨率越高、清晰度越好、体积越小，其应用面更广泛。
        从上述二种图像传感器解析度来看，未来将有几年时间，以130万像素至200万像素为界，之上的应用领域中，将仍以CCD主流，之下的产品中，将开始以CMOS传感器为主流。业界分析今年底至明年初，将有300万像素的CMOS上市，预测CMOS市场应用超越CCD的时机一般在2004年-2005年。