传感器ccd:CCD传感器

2021/10/30 00:55 · 传感器知识资讯 ·  · 传感器ccd:CCD传感器已关闭评论
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CCD传感器
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电荷耦合器件图像传感器CCD(Charge Coupled Device),它使用一种高感光度的半导体材料制成,能把光线转变成电荷,通过模数转换器芯片转换成数字信号,数字信号经过压缩以后由相机内部的闪速存储器或内置硬盘卡保存,因而可以轻而易举地把数据传输给计算机,并借助于计算机的处理手段,根据需要和想像来修改图像。
中文名
CCD传感器
外文名
Charge Coupled Device
全 称
电荷耦合器件图像传感器
材 料
高感光度的半导体材料
目录
1
原理
2
种类
?
面阵CCD
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线阵CCD
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三线传感器CCD
?
全幅面CCD
3
结构
4
特性
5
优势区别
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灵敏度差异
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成本差异
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分辨率差异
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噪声差异
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功耗差异
CCD传感器原理
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语音
CCD传感器是一种新型光电转换器件,它能存储由光产生的信号电荷。当对它施加特定时序的脉冲时,其存储的信号电荷便可在CCD内作定向传输而实现自扫描。它主要由光敏单元、输入结构和输出结构等组成。它具有光电转换、信息存贮和延时等功能,而且集成度高、功耗小,已经在摄像、信号处理和存贮3大领域中得到广泛的应用,尤其是在图像传感器应用方面取得令人瞩目的发展。CCD有面阵和线阵之分,面阵是把CCD像素排成1个平面的器件;而线阵是把CCD像素排成1直线的器件。由于在军事领域主要用的是面阵CCD,因此这里主要介绍面阵CCD。
CCD传感器种类
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CCD传感器面阵CCD
面阵CCD:允许拍摄者在任何快门速度下一次曝光拍摄移动物体。面阵CCD的结构一般有3种。第一种是帧转性CCD。它由上、下两部分组成,上半部分是集中了像素的光敏区域,下半部分是被遮光而集中垂直寄存器的存储区域。其优点是结构较简单并容易增加像素数,缺点是CCD尺寸较大,易产生垂直拖影。第二种是行间转移性CCD。它是CCD的主流产品,它们是像素群和垂直寄存器在同一平面上,其特点是在1个单片上,价格低,并容易获得良好的摄影特性。第三种是帧行间转移性CCD。它是第一种和第二种的复合型,结构复杂,但能大幅度减少垂直拖影并容易实现可变速电子快门等优点。
CCD传感器线阵CCD
线阵CCD:用一排像素扫描过图片,做三次曝光——分别对应于红、绿、蓝 三色滤镜,正如名称所表示的,线性传感器是捕捉一维图像。初期应用于广告界拍摄静态图像,线性阵列,处理高分辨率的图像时,受局限于非移动的连续光照的物体。
CCD传感器三线传感器CCD
CCD传感器
三线传感器CCD:在三线传感器中,三排并行的像素分别覆盖RGB滤镜,当捕捉彩色图片时,完整的彩色图片由多排的像素来组合成。三线CCD传感器多用于高端数码相机,以产生高的分辨率和光谱色阶。交织传输CCD:这种传感器利用单独的阵列摄取图像和电量转化,允许在拍摄下一图像时在读取当前图像。交织传输CCD通常用于低端数码相机、摄像机和拍摄动画的广播拍摄机。
CCD传感器全幅面CCD
全幅面CCD:此种CCD具有更多电量处理能力,更好动态范围,低噪音和传输光学分辨率,全幅面CCD允许即时拍摄全彩图片。全幅面CCD由并行浮点寄存器、串行浮点寄存器和信号输出放大器组成。全幅面CCD曝光是由机械快门或闸门控制去保存图像,并行寄存器用于测光和读取测光值。图像投摄到作投影幕的并行阵列上。此元件接收图像信息并把它分成离散的由数目决定量化的元素。这些信息流就会由并行寄存器流向串行寄存器。此过程反复执行,直到所有的信息传输完毕。接着,系统进行精确的图像重组。
CCD传感器结构
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CCD传感器
CCD是由许多个光敏像元按一定规律排列组成的。每个像元就是一个MOS电容器(大多为光敏二极管),它是在P 型Si衬底表面上用氧化的办法生成1层厚度约为1000A~1500A的SiO2,再在SiO2表面蒸镀一金属层(多晶硅),在衬底和金属电极间加上1个偏置电压,就构成1个MOS电容器。当有1束光线投射到MOS电容器上时,光子穿过透明电极及氧化层,进入P型Si衬底,衬底中处于价带的电子将吸收光子的能量而跃入导带。光子进入衬底时产生的电子跃迁形成电子-空穴对,电子-空穴对在外加电场的作用下,分别向电极的两端移动,这就是信号电荷。这些信号电荷储存在由电极形成的“势阱”中。MOS电容器的电荷储存容量可由下式求得:QS=Ci×VG×A式中: QS是电荷储存量;
CCD传感器
Ci是单位面积氧化层的电容;VG是外加偏置电压;A是MOS电容栅的面积。由此可见,光敏元面积越大,其光电灵敏度越高。1个3相驱动工作的CCD中电荷转移的过程。(a)初始状态;(b)电荷由①电极向②电极转移;(c)电荷在①、②电极下均匀分布;(d)电荷继续由①电极向②电极转移;(e)电荷完全转移到②电极;(f)3相交叠脉冲。假设电荷最初存储在电极①(加有10V电压)下面的势阱中,加在CCD所有电极上的电压,通常都要保持在高于某一临界值电压Vth,Vth称为CCD阈值电压,设Vth=2V。所以每个电极下面都有一定深度的势阱。显然,电极①下面的势阱最深,如果逐渐将电极②的电压由2V增加到10V,这时,①、②两个电极下面的势阱具有同样的深度,并合并在一起,原先存储在电极①下面的电荷就要在两个电极下面均匀分布,(b)和(c)所示,然后再逐渐将电极下面的电压降到2V,使其势阱深度降低,(d)和(e)所示,这时电荷全部转移到电极②下面的势阱中,此过程就是电荷从电极①到电极②的转移过程。如果电极有许多个,可将其电极按照1、4、7…,2、5、8…和3、6、9…的顺序分别连在一起,加上一定时序的驱动脉冲,即可完成电荷从左向右转移的过程。用3相时钟驱动的CCD称为3相CCD。
CCD传感器特性
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语音
①调制传递函数MTF特性:固态图像传感器是由像素矩阵与相应转移部分组成的。固态的像素尽管己做得很小,并且其间隔也很微小,但是,这仍然是识别微小图像或再现图像细微部分的主要障碍。②输出饱和特性:当饱和曝光量以上的强光像照射到图像传感器上时,传感器的输出电压将出现饱和,这种现象称为输出饱和特性。产生输出饱和现象的根本原因是光敏二极管或MOS电容器仅能产生与积蓄一定极限的光生信号电荷所致。
CCD传感器
③暗输出特性:暗输出又称无照输出,系指无光像信号照射时,传感器仍有微小输出的特性,输出来源于暗〔无照)电流。④灵敏度:单位辐射照度产生的输出光电流表示固态图象传感器的灵敏度,它主要与固态图像传感器的像元大小有关。⑤弥散:饱和曝光量以上的过亮光像会在象素内产生与积蓄起过饱和信号电荷,这时,过饱和电荷便会从一个像素的势阱经过衬底扩散到相邻像素的势阱。这样,再生图像上不应该呈现某种亮度的地方反而呈现出亮度,这种情况称为弥散现象。⑥残像:对某像素扫描并读出其信号电荷之后,下一次扫描后读出信号仍受上次遗留信号电荷影响的现象叫残像。⑦等效噪声曝光量:产生与暗输出(电压)等值时的曝光量称为传感器的等效噪声曝光量。
CCD传感器优势区别
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语音
CCD传感器
CMOS针对CCD最主要的优势就是非常省电,不像由二极管组成的CCD,CMOS 电路几乎没有静态电量消耗,只有在电路接通时才有电量的消耗。这就使得CMOS的耗电量只有普通CCD的1/3左右,这有助于改善人们心目中数码相机是"电老虎"的不良印象。CMOS主要问题是在处理快速变化的影像时,由于电流变化过于频繁而过热。暗电流抑制得好就问题不大,如果抑制得不好就十分容易出现杂点。此外,CMOS与CCD的图像数据扫描方法有很大的差别。例如,如果分辨率为300万像素,那么CCD传感器可连续扫描300万个电荷,扫描的方法非常简单,就好像把水桶从一个人传给另一个人,并且只有在最后一个数据扫描完成之后才能将信号放大。CMOS传感器的每个像素都有一个将电荷转化为电子信号的放大器。因此,CMOS传感器可以在每个像素基础上进行信号放大,采用这种方法可节省任何无效的传输操作,所以只需少量能量消耗就可以进行快速数据扫描,同时噪音也有所降低。这就是佳能的像素内电荷完全转送技术。CCD与CMOS传感器是被普遍采用的两种图像传感器,两者都是利用感光二极管(photodiode)进行光电转换,将图像转换为数字数据,而其主要差异是数字数据传送的方式不同。CCD传感器中每一行中每一个像素的电荷数据都会依次传送到下一个像素中,由最底端部分输出,再经由传感器边缘的放大器进行放大输出;而在CMOS传感器中,每个像素都会邻接一个放大器及A/D转换电路,用类似内存电路的方式将数据输出。造成这种差异的原因在于:CCD的特殊工艺可保证数据在传送时不会失真,因此各个像素的数据可汇聚至边缘再进行放大处理;而CMOS工艺的数据在传送距离较长时会产生噪声,因此,必须先放大,再整合各个像素的数据。由于数据传送方式不同,因此CCD与CMOS传感器在效能与应用上也有诸多差异,这些差异包括:
CCD传感器灵敏度差异
由于CMOS传感器的每个象素由四个晶体管与一个感光二极管构成(含放大器与A/D转换电路),使得每个象素的感光区域远小于象素本身的表面积,因此在象素尺寸相同的情况下,CMOS传感器的灵敏度要低于CCD传感器。
CCD传感器成本差异
由于CMOS传感器采用一般半导体电路最常用的CMOS工艺,可以轻易地将周边电路(如AGC、CDS、Timing generator、或DSP等)集成到传感器芯片中,因此可以节省外围芯片的成本;除此之外,由于CCD采用电荷传递的方式传送数据,只要其中有一个象素不能运行,就会导致一整排的数据不能传送,因此控制CCD传感器的成品率比CMOS传感器困难许多,即使有经验的厂商也很难在产品问世的半年内突破50%的水平,因此,CCD传感器的成本会高于CMOS传感器。
CCD传感器分辨率差异
CMOS传感器的每个象素都比CCD传感器复杂,其象素尺寸很难达到CCD传感器的水平,因此,当比较相同尺寸的CCD与CMOS传感器时,CCD传感器的分辨率通常会优于CMOS传感器的水平。例如,市面上CMOS传感器最高可达到210万象素的水平(OmniVision的 OV2610,2002年6月推出),其尺寸为1/2英寸,象素尺寸为4.25μm,但Sony在2002年12月推出了ICX452,其尺寸与 OV2610相差不多(1/1.8英寸),但分辨率却能高达513万象素,象素尺寸也只有2.78μm的水平。
CCD传感器噪声差异
由于CMOS传感器的每个感光二极管都需搭配一个放大器,而放大器属于模拟电路,很难让每个放大器所得到的结果保持一致,因此与只有一个放大器放在芯片边缘的CCD传感器相比,CMOS传感器的噪声就会增加很多,影响图像品质。
CCD传感器功耗差异
CMOS传感器的图像采集方式为主动式,感光二极管所产生的电荷会直接由晶体管放大输出,但CCD传感器为被动式采集,需外加电压让每个象素中的电荷移动,而此外加电压通常需要达到12~18V;因此,CCD传感器除了在电源管理电路设计上的难度更高之外(需外加 power IC),高驱动电压更使其功耗远高于CMOS传感器的水平。举例来说,OmniVision推出的OV7640(1/4英寸、VGA),在 30 fps的速度下运行,功耗仅为40mW;而致力于低功耗CCD传感器的Sanyo公司推出的1/7英寸、CIF等级的产品,其功耗却仍保持在90mW 以上。因此CCD发热量比CMOS大,不能长时间在阳光下工作。综上所述,CCD传感器在灵敏度、分辨率、噪声控制等方面都优于CMOS传感器,而CMOS传感器则具有低成本、低功耗、以及高整合度的特点。不过,随着CCD与CMOS传感器技术的进步,两者的差异有逐渐缩小的态势,例如,CCD传感器一直在功耗上作改进,以应用于移动通信市场(这方面的代表业者为Sanyo);CMOS传感器则在改善分辨率与灵敏度方面的不足,以应用于更高端的图像产品。
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传感器ccd:CCD传感器简介

什么是CCD传感器?CCD(Charge-Coupled Dvice)电荷耦合组件,是一种硅基固态影像感测组件。该组件是利用半导体的技术累积成二维面形的数组,因其乃一为具高密度像素(pixel),具有高分辨率及高感度之特性的固态影像感测组件,正逐渐取代传统摄像管,成为市场的主流。由于CCD影像传感器的诸多优良特性,使得它倍受瞩目,并成为影像定量取得系统应用上必备组件。CCD电荷耦合组件可作成多种形式,依应用分为有线型(用于传真机、影像扫描仪及条形码机)与面型(用于摄录像机、监视器、电视对讲机、数字照相机及影像电话)两种;一感光频谱分,则有可见光,红外光,X射线……等区别。可见光CCD影像感测组件主要优点有:

1. 高分辨率(High Resolution)
影像的大小为μm级,可检测及识别精细物体,提高CCD摄影机影像品质。从早期一寸、1/2寸、2/3寸、到目前1/4寸,像素数目从原来25万点增加到现在的30~40万点。

2. 低噪声(Low Noise),高敏感度
CCD具有很低的读出噪声和暗电流噪声(dark current noise),因此提高了讯号噪声比(signal to noise ratio SNR)。又具高敏感度
(sensitivity),很低光度的被照体也能检测到,其讯号不会被噪声掩盖,使CCD摄影机的应用可从白天扩充到夜晚,较不受天候拘束。

3. 动态范围广(high Dynamic Range)
可同时检测及分辨强光与弱光,提高系统的环境使用范围。不因环境亮度差异大而造成信号反差现象。

4. 良好的线性特性曲线(Linearity)
入射光源强度强度和输出讯号大小成良好的正比关系,输出信号的大小变化能依原来物体亮度大小变化,使物体信息不致损失,降低讯号补偿处理成本。

5. 高光子转换效率(high Quantum Efficiency)
很微弱的入射光照射在传感器上,都能被记录下来。如果配合影像增强管及投光器,即使在非常黑暗的夜晚且位在很远的地方的景物仍然还可以检测得到。

6.大面积检测(Large Field of View)
利用半导体技术可制造大面积的CCD芯片,含有百万像素,长宽约为两吋,可作为大面积曝光,其应用为取代传统底片,做为电子照相机之取像组件。

7.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。

8.低影像失真(Low Image Distortion)
使用CCD影像传感器,其影像处理不会像使用影像收集管(image pickup tube)时,有失真的情形,使原物体信息忠实反应。

9.体积小、重量轻
CCD摄影机体积小且重量轻,可容的装置在人造卫星及各式导航系统上。

10.电荷传输效率
该效率系数影响信号杂信比、解像率、故电荷传输效率不佳,影像将变较模糊。

11.大量生产,质量稳定,坚固,不易老化,使用方便及保养容易。

12.低耗电力,不受强电磁场影响。

传感器ccd:CCD传感器  第1张

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图像传感器
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图像传感器是利用光电器件的光电转换功能将感光面上的光像转换为与光像成相应比例关系的电信号。与光敏二极管,光敏三极管等“点”光源的光敏元件相比,图像传感器是将其受光面上的光像,分成许多小单元,将其转换成可用的电信号的一种功能器件。图像传感器分为光导摄像管和固态图像传感器。与光导摄像管相比,固态图像传感器具有体积小、重量轻、集成度高、分辨率高、功耗低、寿命长、价格低等特点。因此在各个行业得到了广泛应用。
[1]
中文名
图像传感器
外文名
image sensor
别 名
感光元件
分 类
CCD,CMOS
定 义
组成数字摄像头的重要组成部分
目录
1
CCD
?
应用
?
历史
?
特点
2
CMOS
?
特点
?
历史
?
市场
?
发展
3
技术参数
4
发展现状
图像传感器CCD
编辑
语音
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,但该问题已经基本得到解决。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。
图像传感器应用
CMOS图像传感器
图像传感器
[2]
,或称感光元件,是一种将光学图像转换成电子信号的设备,它被广泛地应用在数码相机和其他电子光学设备中。早期的图像传感器采用模拟信号,如摄像管(video camera tube)。随着数码技术、半导体制造技术以及网络的迅速发展,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。
图像传感器历史
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。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。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。
图像传感器特点
一般认为,CCD传感器有以下优点:高解析度(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1寸、1/2寸、2/3寸、1/4寸到推出的1/9寸,像素数目从10多万增加到400~500万像素;低杂讯(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;动态范围广(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。良好的线性特性曲线(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;大面积感光(Large Field of View):利用半导体技术已可制造大面积的CCD晶片,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;低影像失真(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;体积小、重量轻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;低秏电力不受强电磁场影响;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,较有特色的主要厂商应为索尼、飞利普和柯达公司。
图像传感器CMOS
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图像传感器特点
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,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。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。
图像传感器历史
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,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2013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。
图像传感器市场
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)。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,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。
图像传感器发展
2013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。2014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,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。对比CCD提供很好的图像质量、抗噪能力和相机设计时的灵活性。尽管由于增加了外部电路使得系统的尺寸变大,复杂性提高,但在电路设计时可更加灵活,可以尽可能的提升CCD相机的某些特别关注的性能。CCD更适合于对相机性能要求非常高而对成本控制不太严格的应用领域,如天文,高清晰度的医疗X光影像、和其他需要长时间曝光,对图像噪声要求严格的科学应用。CMOS是能应用当代大规模半导体集成电路生产工艺来生产的图像传感器,具有成品率高、集成度高、功耗小、价格低等特点。CMOS技术是世界上许多图像传感器半导体研发企业试图用来替代CCD的技术。经过多年的努力,作为图像传感器,CMOS已经克服早期的许多缺点,发展到了在图像品质方面可以与CCD技术较量的水平。CMOS的水平使它们更适合应用于要求空间小、体积小、功耗低而对图像噪声和质量要求不是特别高的场合。如大部分有辅助光照明的工业检测应用、安防保安应用、和大多数消费型商业数码相机应用。
图像传感器技术参数
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了解CCD和CMOS芯片的成像原理和主要参数对于产品的选型时非常重要的。同样,相同的芯片经过不同的设计制造出的相机性能也可能有所差别。CCD和CMOS的主要参数有以下几个:1. 像元尺寸像元尺寸指芯片像元阵列上每个像元的实际物理尺寸,通常的尺寸包括14um,10um, 9um , 7um , 6.45um ,3.75um 等。像元尺寸从某种程度上反映了芯片的对光的响应能力,像元尺寸越小,能够接收到的光子数量越多,在同样的光照条件和曝光时间内产生的电荷数量越多。对于弱光成像而言,像元尺寸是芯片灵敏度的一种表征。2. 灵敏度灵敏度是芯片的重要参数之一,它具有两种物理意义。一种指光器件的光电转换能力,与响应率的意义相同。即芯片的灵敏度指在一定光谱范围内,单位曝光量的输出信号电压(电流),单位可以为纳安/勒克斯nA/Lux、伏/瓦(V/W)、伏/勒克斯(V/Lux)、伏/流明(V/lm)。另一种是指器件所能传感的对地辐射功率(或照度),与探测率的意义相同,。单位可用瓦(W)或勒克斯(Lux)表示。3. 坏点数由于受到制造工艺的限制,对于有几百万像素点的传感器而言,所有的像元都是好的情况几乎不太可能,坏点数是指芯片中坏点(不能有效成像的像元或相应不一致性大于参数允许范围的像元)的数量,坏点数是衡量芯片质量的重要参数。4. 光谱响应光谱响应是指芯片对于不同光波长光线的响应能力,通常用光谱响应曲线给出。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2014年底至2015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。
图像传感器发展现状
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图像传感器的视讯比是给定的,使用高清(HD)分辨率1080p,摄像机设计正朝使用更小的光学格式发展,导致需要更小的像素结构,以降低整体系统成本,同时不影响图像性能或光灵敏度。CCD图像传感器由于灵敏度高、噪声低,逐步成为图像传感器的主流。但由于工艺上的原因,敏感元件和信号处理电路不能集成在同一芯片上,造成由CCD图像 传感器组装的摄像机体积大、功耗大。CMOS图像传感器以其体积小、功耗低在图像传感器市场上独树一帜。但最初市场上的CMOS图像传感器,一直没有摆脱 光照灵敏度低和图像分辨率低的缺点,图像质量还无法与CCD图像传感器相比。如果把CMOS图像传感器的光照灵敏度再提高5倍~10 倍,把噪声进一步降低,CMOS图像传感器的图像质量就可以达到或略微超过CCD图像传感器的水平,同时能保持体积小、重量轻、功耗低、集成度高、价位低 等优点,如此,CMOS图像传感器就会取代CCD图像传感器,并且发展出更好的功效。由于CMOS图像传感器的应用,新一代图像系统的开发研制得到了 极大的发展,并且随着经济规模的形成,其生产成本也得到降低。CMOS图像传感器的画面质量也能与CCD图像传感器相媲美,这主要归功于图像传感器 芯片设计的改进,以及亚微米和深亚微米级设计增加了像素内部的新功能。实际上,更确切地说,CMOS图像传感器应当是一个图像系统。一 个典型的CMOS图像传感器通常包含:一个图像传感器核心(是将离散信号电平多路传输到一个单一的输出,这与CCD图像传感器很相似),所有的时序逻辑、 单一时钟及芯片内的可编程功能,比如增益调节、积分时间、窗口和模数转换器。事实上,当一位设计者购买了CMOS图像传感器后,他得到的是一个包括图像阵 列逻辑寄存器、存储器、定时脉冲发生器和转换器在内的全部系统。与传统的CCD 图像系统相比,把整个图像系统集成在一块芯片上不仅降低了功耗,而且具有重量较轻,占用空间减少以及总体价格更低的优点。
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参考资料
1.

祝诗平.传感器与检测技术:北京大学出版社,中国林业出版社,2006年:209
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图像传感器最新新闻资讯
.OFweek传感器网[引用日期2016-07-21]
3.

图像传感器的发展及应用现状
.传感器应用网[引用日期2016-05-24]

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