《图像传感器》PPT课件

图像传感器,(CMOS和CCD图像传感器),一、CMOS/CCD图像传感器的工作原理,无论是CCD还是CMOS，它们都采用感光元件作为影像捕获的基本手段，CCD/CMOS感光元件的核心都是一个感光二极管（photodiode），该二极管在接受光线照射之后能够产生输出电流，而电流的强度则与光照的强度对应。但在周边组成上，CCD的感光元件与CMOS的感光元件并不相同，前者的感光元件除了感光二极管之外，包括一个用于控制相邻电荷的存储单元，感光二极管占据了绝大多数面积换一种说法就是，CCD感光元件中的有效感光面积较大，在同等条件下可接收到较强的光信号，对应的输出电信号也更明晰。而CMOS感光元件的构成就比较,复杂，除处于核心地位的感光二极管之外，它还包括放大器与模数转换电路，每个像点的构成为一个感光二极管和三颗晶体管，而感光二极管占据的面积只是整个元件的一小部分，造成CMOS传感器的开口率远低于CCD（开口率：有效感光区域与整个感光元件的面积比值）；这样在接受同等光照及元件大小相同的情况下，CMOS感光元件所能捕捉到的光信号就明显小于CCD元件，灵敏度较低；体现在输出结果上，就是CMOS传感器捕捉到的图像内容不如CCD传感器来得丰富，图像细节丢失情况严重且噪声明显，这也是早期CMOS传感器只能用于低端场合的一大,原因。CMOS开口率低造成的另一个麻烦在于，它的像素点密度无法做到媲美CCD的地步，因为随着密度的提高，感光元件的比重面积将因此缩小，而CMOS开口率太低，有效感光区域小得可怜，图像细节丢失情况会愈为严重。因此在传感器尺寸相同的前提下，CCD的像素规模总是高于同时期的CMOS传感器，这也是CMOS长期以来都未能进入主流数码相机市场的重要原因之一。 每个感光元件对应图像传感器中的一个像点，由于感光元件只能感应光的强度，无法捕获色彩信息，因此必须在感光元件上方覆盖彩色滤光片。在这方面，不同的传感器厂商有不同的解决方案，,最常用的做法是覆盖RGB红绿蓝三色滤光片，以1：2：1的构成由四个像点构成一个彩色像素（即红蓝滤光片分别覆盖一个像点，剩下的两个像点都覆盖绿色滤光片），采取这种比例的原因是人眼对绿色较为敏感。而索尼的四色CCD技术则将其中的一个绿色滤光片换为翡翠绿色（英文Emerald，有些媒体称为E通道），由此组成新的R、G、B、E四色方案。不管是哪一种技术方案，都要四个像点才能够构成一个彩色像素，这一点大家务必要预先明确。 在接受光照之后，感光元件产生对应的电流，电流大小与光强对应，因此感光元件直接输出的电信号是模拟的。在CCD传感器中，每一个感光元件都不对此作进一步的处理，而是将它直接输出到下一个感光元件的存储单元，结合该元,件生成的模拟信号后再输出给第三个感光元件，依次类推，直到结合最后一个感光元件的信号才能形成统一的输出。由于感光元件生成的电信号实在太微弱了，无法直接进行模数转换工作，因此这些输出数据必须做统一的放大处理这项任务是由CCD传感器中的放大器专门负责，经放大器处理之后，每个像点的电信号强度都获得同样幅度的增大；但由于CCD本身无法将模拟信号直接转换为数字信号，因此还需要一个专门的模数转换芯片进行处理，最终以二进制数字图像矩阵的形式输出给专门的DSP处理芯片。而对于CMOS传感器，上述工作流程就完全不适用了。CMOS传感器中一个感光元件都直接整合了放大,器和模数转换逻辑，当感光二极管接受光照、产生模拟的电信号之后，电信号首先被该感光元件中的放大器放大，然后直接转换成对应的数字信号。换句话说，在CMOS传感器中，每一个感光元件都可产生最终的数字输出，所得数字信号合并之后被直接送交DSP芯片处理问题恰恰是发生在这里，CMOS感光元件中的放大器属于模拟器件，无法保证每个像点的放大率都保持严格一致，致使放大后的图像数据无法代表拍摄物体的原貌体现在最终的输出结果上，就是图像中出现大量的噪声，品质明显低于CCD传感器。,二、 Ccd与cmos简介,CCD：电荷藕合器件图像传感器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。CCD由许多感光单位组成，通常以百万像素为单位。当CCD表面受到光线照射时，每个感光单位会将电荷反映在组件上，所有的感光单位所产生的信号加在一起，就构成了一幅完整的画面。,CMOS：互补性氧化金属半导体CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）和CCD一样同为在数码相机中可记录光线变化的半导体。CMOS的制造技术和一般计算机芯片没什么差别，主要是利用硅和锗这两种元素所做成的半导体，使其在CMOS上共存着带N（带电） 和 P（带+电）级的半导体，这两个互补效应所产生的电流即可被处理芯片纪录和解读成影像,三、CCD与cmos的区别,1. 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。,2. 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。,3. 分辨率差异： 如上所述，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，当我们比较相同尺寸的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，目前市面上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4.25m，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2.78mm的水平。,4. 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。,5.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1218V；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。,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。,CCD的优势在于成像质量好，但是由于制造工艺复杂，只有少数的厂商能够掌握，所以导致制造成本居高不下，特别是大型CCD，价格非常高昂。在相同分辨率下，CMOS价格比CCD便宜，但是CMOS器件产生的图像质量相比CCD来说要低一些。到目前为止，市面上绝大多数的消费级别以及高端数码相机都使用CCD作为感应器；CMOS感应器则作为低端产品应用于一些摄像头上，若有哪家摄像头厂商生产的摄想头使用CCD感应器，厂商一定会不遗余力地以其作为卖点大肆宣传，甚至冠以“数码相机”之名。一时间，是否具有CCD感应器变成了人们判断数码相机档次的标准之一。,CMOS影像传感器的优点之一是电源消耗量比CCD低，CCD为提供优异的影像品质，付出代价即是较高的电源消耗量，为使电荷传输顺畅，噪声降低，需由高压差改善传输效果。但CMOS影像传感器将每一画素的电荷转换成电压，读取前便将其放大，利用3.3V的电源即可驱动，电源消耗量比CCD低。CMOS影像传感器的另一优点，是与周边电路的整合性高，可将ADC与讯号处理器整合在一起，使体积大幅缩小。,四、传感器发展历史,图像传感器的历史可以说非常的悠久：早在1873年，当时科学家约瑟美(Joseph May)及伟洛比史密夫(WilloughbySmith)就发现了硒元素结晶体感光后能产生电流，这是电子影像发展的开始。以后陆续有组织和学者研究电子影像，发明了几种不同类型的图像传感器。其中重要的发明有20世纪50年代诞生的光学倍增管(Photo Multiplier Tube，简称PMT)和70年代出现的电荷耦合装置(Charge Coupled Device，简称CCD)。,20世纪末，又有三种新型的图像传感器问世了，它们分别是互补氧化金属半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor，简称CMOS)、接触式图像传感器(Contact lmage Sensor，简称CIS)和LBCAST传感器系统(Lateral Buried Charge Accumulator, Sensing Transistor Array)。,1、PMT PMT是最早出现的图像传感器，从五十年代发展到现在，技术已经非常成熟，是目前性能最好的传感器。它就像一个圆柱体小灯泡，直径约一寸，长度约二寸；内置多个电极，将进入的光信号转化为电信号，即使很微弱的光线也可准确补捉。其最高动态范围可达4.2，相对于其它类型只能达到3.2-3.6的传感器，PMT要胜出不少；而且它非常耐用，可以运作十万小时以上。但是由于其造价相当高，只能应用于专业的印刷、出版业扫描仪及工程分析。 类似小灯泡的传感器“PMT”,2、CCD CCD是美国贝尔实验室于1969年发明的，与电脑晶片CMOS技术相似，也可作电脑记忆体及逻辑运作晶片。CCD是一种特殊的半导体材料，由大量独立的感光二极管组成，一般这些感光二极管按照矩阵形式排列(富士公司的Super CCD除外)。CCD的感光能力比PMT低，但近年来CCD技术有了长足的进步，又由于CCD的体积小、造价低，所以广泛应用于扫描仪、数码相机及数码摄像机中。目前大多数数码相机采用的图像传感器都是CCD。,3、cmos CMOS技术已发展了数十年，CPU和内存便是由CMOS组成。但直到1998年它才被用于制作图像传感器。CMOS的优点是结构比CCD简单，耗电量只有普通CCD的1/3左右，而且制造成本比CCD要低。自从佳能公司在专业数码单反相机EOS D30中采用了CMOS以来，已经有越来越多的数码单反相机使用它，目前数码单反相机中几乎有一半采用CMOS作为图像传感器。,一、图像传感器 （Charged Coupled Device）于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多年，从初期的多万像素已经发展至目前主流应用的万像素。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。,五、图像传感器发展现状,传感器的优点：,高解析度（High Resolution） 低杂讯（Low Noise）高敏感度 动态范围广（High Dynamic Range） 良好的线性特性曲线（Linearity） 高光子转换效率（High Quantum Efficiency ） 大面积感光（Large Field of View） 光谱响应广（Broad Spectral Response） 低影像失真（Low Image Distortion） 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 低耗电力，不受强电磁场影响 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 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,二、图像传感器 图像传感器于年代发明以来，由于当时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，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的解析度，相关业者希望用器件取代的努力正在逐渐明朗。传感器有可细分为：被动式像素传感器（Passive Pixel Sensor CMOS）与主动式像素传感器（Active Pixel Sensor 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，例如在年时，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、和，其中是欧洲厂商，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.和.，而STM落居第四，市场占有率大幅滑落至.，至于更是大幅衰退只剩.的市场占有率，值得一提的是在年度的大幅成长，全球市场占有率快速成长至.，排名全球第三。这三家厂商出货量就占全球出货量的.。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。,国外CMOS图像传感器发展现状,由于CMOS工艺的成熟和固体图像传感器技术的研究成果，CMOS图像传感器发展很快，国外各大公司和科研机构已经开发出多种类型的CMOS图像传感器和以CMOS图像传感器为核心的摄像系统。低分辨率的有Pinkhill公司生产的广泛应用于娱乐和玩具行业的CMOS图像传感器芯片、英国VLSI Vision公司生产的用于儿童娱乐时即时拍照的新概念相机、韩国汉城国立大学电子工程学院集成系统实验室利用64256像素CMOS图像传感器阵列开发的指纹识别系统等。在中、高分辨率应用领域中，美国贝尔实验室研制的256256元CMOS有源像素传感器（CMOS-APS）的像素尺寸为20m20m，在单一5V电压下工作，动态范围可达72dB，英国VLSI公司生产的785586像素CMOS图像传感器，美国喷气推进实验室为国家航空和宇宙航空局设计制造了用于彩色相机的10241024像素CMOS-APS。 美国斯坦福大学电子工程系信息系统实验室采用0.35m、4层金属、单层多晶硅n阱CMOS工艺研制出了具有宽动态范围的640512像素CMOS-APS。像素尺寸为10.5m10.5m，填充系数为29%，电源电压为33V，暗电流为160pA/cm2，灵敏度为5.1mV/e-，动态范围为655536：1，最大帧速为250帧/秒。,.国内CMOS图像传感器研制状况,在国内，西安交通大学、浙江大学、复旦大学、中国纺织大学、重庆大学、台湾大学、文哗科技香港有限公司等单位都开展了CMOS图像传感器的研制和应用开发工作，并取得了较大的进展。西安交通大学开元微电子科技有限公司使用美国Compass DesignAutomation公司的EDA软件开发出一系列CMOS单片摄像机ASIC芯片M-10、M-20A、M-20B、M-20C。器件的分辨率、稳定性、信噪比都比目前进口芯片有较大改善，并且在集成度方面有了进一步提高。用上述CMOS单片摄像机ASIC芯片M10组装成的微型摄像头是综合国际90年代视觉技术的新一代CMOS摄像器件。微型摄像头可输出PAL制黑白图像全电视信号，直接在显示器（监视器、电视机等）上显示。也可以作为计算机多媒体应用的图像输入部件，并能通过录像机录下图像。,单片CMOS摄像机ASIC芯片M10集成了摄像器件的所有功能，包括1/3英寸CMOS图像传感器阵列、扫描读出电路、放大电路、全电视信号产生电路等。M10还具有自动曝光控制、自动增益控制和黑白电平自动校正等功能。用M10组装成的UP-10微型摄像头与传统的CCD摄像头相比，在体积、功耗与价格上占有很大的优势。 UR-10微型摄像头最突出的优点是对人眼不可见的红外光特别敏感，例如一个点燃的烟头及红外线遥控器的发射光，对着摄像镜头则显示屏就会出现很强的自光，白天或黑夜都没有什么区别，对于防盗监控来讲，甚为适宜。可以利用红外光源照射被监视区域，即使在伸手不见五指的黑夜，也能让盗贼无所遁形。该微型摄像头可广泛应用于工厂、学校、矿区、住宅区、港口、工地、库房、家庭、别墅、果场、养殖场、超级市场、银行、交通、多媒体电脑等场合。开元微电子科技有限公司己研制出369287，768574，640480和512512像元CMOS图像传感器，并用这些器件开发成功了M-X型系列CMOS微型摄像机。,六、 应用及市场前景,CMOS图像传感器是信息获取与处理领域里图像处理技术中最重要的一部分，是PC机多媒体大世界今后不可缺少的外设，也是保安监控产业中最核心的器件。在知识经济和信息社会已经到来的今天，它在我们的社会生活和个人生活中会有数不胜数的应用。 CMOS图像传感器比CCD图像传感器功耗更低，而且体积也可以进一步缩小，能大批量生产、低噪声，宽动态范围，宽光谱灵敏度，体积小，价格便宜，容易实现商品化，适用于超微型数码相机、便携式可视电话、PC机电脑眼、可视门铃、扫描仪、摄像机、安防监控、汽车防盗、机器视觉、车载电话、指纹识别等图像领域。,目前我国可视门铃或可视电话都是CCD非隐蔽式的，随着治安要求的不断提高，为确保门外或室内外的摄像系统不被破坏，在室内外发展隐蔽式摄像系统将成为家用消费系统的主流与趋势。CMOS图像传感器功耗小，配以高效可充电电池，即使全天候工作，也不会引起电路过热，导致图像质量变差。CMOS图像传感器芯片还有一个优点，光谱敏感范围在近红外光波段比可见光的灵敏度高出56倍，配以适当红外照明，则有更好的夜视功能，这对侦破和反犯罪活动非常有用。在医疗领域，可将CMOS图像传感器应用于一种医疗X射线机，该机的优点是病人所受X射线的剂量较小，比传统方式的1/100还要低，同时其形成的数字图像不仅比X射线胶片更易保存，而且由于它可以进行进一步的修改、比较等操作，所以还可以为医生进行诊断和治疗提供帮助。,另外，心脏外科医生可在患者胸部安装一个超微型CMOS摄像机（俗称“电子眼”），以便在手术后监视手术效果，CCD图像传感器组装的摄像机，由于体积大于CMOS摄像机就很难实现这种应用。再加上CMOS图像传感器耗电量小（通常是CCD的l/10），成本低（是CCD的1/20），像素缺陷率低（是CCD的1/20）等优势，只要开发出可以达到CCD技术应用领域要求的CMOS产品，就可方便地取代CCD图像传感器已经占领的市场。 今后五年内，全球CMOS图像传感器销售量将猛增，随着CMOS图像传感器技术日新月异的进步，其应用范围不断拓宽，全球CMOS图像传感器市场销售量也逐年大幅度增长。据美国国际市场调查公司的统计和预测报告显示，1997年，全球CMOS图像传感器销售总额为054亿美元，1998年增至218亿美元：1999年增至10.03亿美元。专家们认为21世纪初全球CMOS图像传感器市场将会呈现一派红红火火的兴旺景象。,七、发展趋势,由于CMOS图像传感器的集成度高，各像元之间的距离很近，干扰比较严重，噪声对成像质量影响大，现有CCD图像传感器的制作技术起步早，技术成熟，成像质量相对CMOS图像传感器有一定的优势。但是存在着成品率低、成本高、蓝光晌应差、工艺特殊、不能单片集成、芯片体积较大、电学功能不够齐全、有光晕等缺点。CMOS图像传感器芯片则克服了这些缺点。CMOS图像传感器虽然在发展初期走过一段弯路，但后来随着亚微米和深亚微米工艺技术以及CMOS电路消噪技术的进步，采用新工艺和改善相关双采样电路有效降低了固定图形噪声，采用微透镜阵列技术有效提高了填充系数，采用针形和掩埋型光敏二极管以及更小只寸的CMOS工艺有效降低了暗电流。目前，CMOS图像传感器正朝着高分辨率、高动态范围、高灵敏度、高帧速、集成化、数字化、智能化的方向发展。,人们主要致力于提高CMOS图像传感器，尤其是CMOS-APS的综合性能，缩小像元只寸，调整CMOS工艺参数，将时钟和控制电路、信号处理电路、A/D电路、图像：压缩等电路与图像传感器阵列完全集成在一起，并制作滤色片和微透镜阵列，以期实现低成本、低功耗、高度集成的单芯片成像微系统。现在，二种阶跃的复位栅电压技术能将CMOS-APS的动态范围提高到90dB以上，而一般CCD的动态范围则仅为70dB左右。另外，CMOS图像传感器具有体积小、功耗低、高集成度、新型USB计算机接口、自动记时、随机存取、无损读取、抗光晕和耐辐射等特点使其有不肯抗拒的广阔的市场诱惑力和良好的发展前景。高性能、高分辨率、高帧速工作的CMOS摄像机己问世，CMOS数码相机、微型和超微型摄像机己进入商品化。随着数字电视、可视通信市场的兴旺，CMOS图像传感器的应用前景更加广阔。,八、 图像传感器的应用,数码相机与相机电话是图像传感器的主要应用对象 ，数码相机通常被划分为高端(400万象素以上)、中端(330、210万象素)与低端(百万象素以下)三部分，我们认为在OV陆续推出210万、330万象素的产品之后，CMOS图像传感器将在市场占有率最大的中端产品方面逐步成长，这无疑将对提高CMOS传感器的占有率发挥积极作用。,九、CMOS传感器仍有以下问题需要解决,成本问题：商家所规划的技术蓝图显示，计划于2003上半年推出330万象素的CMOS传感器芯片尺寸为1/2英寸左右，但与目前市面上可见的1/2英寸CCD传感器相比，其最高分辨率可达500万象素以上；再者，目前330万象素的CCD传感器的尺寸已可缩小到1/2.7英寸左右，理论上要推出1/3.2英寸的330万象素CCD也不是一件难事；因此，这些高端的CMOS传感器在量产初期仍难以在成本上与CCD传感器竞争。 图像品质与外围零部件的配合：根据下游商家对220万象素CMOS传感器评估的结果，目前CMOS传感器的图像品质仍与CCD有相当大的差距；除此之外，外围零部件(如镜头)是否能配合高端的CMOS传感器推出对应产品，也是影响CMOS传感器普及的重要因素之一。,相机电话,CMOS传感器被认为是相机电话的理想解决方案，不过CCD传感器在Sanyo的大力推广下，采用frame transmission的方式来降低其功耗，反而成为目前日本相机电话的主流选择。,数码相机,数码相机通常被划分为高端(400万象素以上)、中端(330、210万象素)与低端(百万象素以下)三部分，CMOS图像传感器将在市场占有率最大的中端产品方面逐步成长，这无疑对提高CMOS传感器的占有率发挥积极作用。,