圖像傳感�是組成數(shù)�攝像�的重要組成部�。根�(jù)元件的不�,可分為CCD(Charge Coupled Device,電荷耦合元件)和CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor,金屬氧化物半導(dǎo)�元件)兩大類�
圖象傳感器是能感受光�(xué)圖像信息并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的傳感器�
無論是CCD還是CMOS,它們都采用感光元件作為影像捕獲的基本手�,CCD/CMOS感光元件的核心都是一個感光二極管(photodiode),該二極管在接受光線照射之后能夠產(chǎn)生輸出電�,而電流的�(qiáng)度則與光照的�(qiáng)度對�(yīng)。但在周邊組成上,CCD的感光元件與CMOS的感光元件并不相同,前者的感光元件除了感光二極管之�,包括一個用于控制相鄰電荷的存儲單元,感光二極管占據(jù)了絕大多�(shù)面積—換一種說法就�,CCD感光元件中的有效感光面積較大,在同等條件下可接收到較�(qiáng)的光信號,對�(yīng)的輸出電信號也更明晰。而CMOS感光元件的構(gòu)成就比較�(fù)�,除處于核心地位的感光二極管之外,它還包括放大器與模�(shù)�(zhuǎn)換電路,每個像點的�(gòu)成為一個感光二極管和三顆晶體管,而感光二極管占據(jù)的面積只是整個元件的一小部分,造成CMOS傳感器的開口率遠(yuǎn)低于CCD(開口率:有效感光區(qū)域與整個感光元件的面積比值);這樣在接受同等光照及元件大小相同的情況下,CMOS感光元件所能捕捉到的光信號就明顯小于CCD元件,靈敏度較低;體�(xiàn)在輸出結(jié)果上,就是CMOS傳感器捕捉到的圖像內(nèi)容不如CCD傳感器來得豐富,圖像�(xì)節(jié)丟失情況�(yán)重且噪聲明顯,這也是早期CMOS傳感器只能用于低端場合的一大原�。CMOS開口率低造成的另一個麻煩在于,它的像素點密度無法做到媲美CCD的地�,因為隨著密度的提高,感光元件的比重面積將因此縮小,而CMOS開口率太�,有效感光區(qū)域小得可�,圖像細(xì)節(jié)丟失情況會愈為嚴(yán)重。因此在傳感器尺寸相同的前提下,CCD的像素規(guī)??偸歉哂谕瑫r期的CMOS傳感�,這也是CMOS長期以來都未能�(jìn)入主流數(shù)碼相�(jī)市場的重要原因之一�
每個感光元件對�(yīng)圖像傳感器中的一個像點,由于感光元件只能感應(yīng)光的�(qiáng)�,無法捕獲色彩信�,因此必須在感光元件上方覆蓋彩色濾光片。在這方�,不同的傳感器廠商有不同的解決方案,最常用的做法是覆蓋RGB紅綠�(lán)三色濾光�,以1�2�1的構(gòu)成由四個像點構(gòu)成一個彩色像素(即紅�(lán)濾光片分別覆蓋一個像�,剩下的兩個像點都覆蓋綠色濾光片),采取這種比例的原因是人眼對綠色較為敏�。而索尼的四色CCD技�(shù)則將其中的一個綠色濾光片換為翡翠綠色(英文Emerald,有些媒體稱為E通道�,由此組成新的R、G、B、E四色方案。不管是哪一種技�(shù)方案,都要四個像點才能夠�(gòu)成一個彩色像�,這一點大家務(wù)必要�(yù)先明��
在接受光照之�,感光元件產(chǎn)生對�(yīng)的電�,電流大小與光強(qiáng)對應(yīng),因此感光元件直接輸出的電信號是模擬的。在CCD傳感器中,每一個感光元件都不對此作�(jìn)一步的處理,而是將它直接輸出到下一個感光元件的存儲單元,結(jié)合該元件生成的模擬信號后再輸出給第三個感光元件,依次類推,直到結(jié)合一個感光元件的信號才能形成�(tǒng)一的輸�。由于感光元件生成的電信號實在太微弱了,無法直接�(jìn)行模�(shù)�(zhuǎn)換工�,因此這些輸出�(shù)�(jù)必須做統(tǒng)一的放大處理—這項任務(wù)是由CCD傳感器中的放大器專門�(fù)�(zé),經(jīng)放大器處理之�,每個像點的電信號強(qiáng)度都獲得同樣幅度的增大;但由于CCD本身無法將模擬信號直接轉(zhuǎn)換為�(shù)字信號,因此還需要一個專門的模�(shù)�(zhuǎn)換芯片�(jìn)行處�,最終以二�(jìn)制數(shù)字圖像矩陣的形式輸出給專門的DSP處理芯片。而對于CMOS傳感�,上述工作流程就完全不適用了。CMOS傳感器中每一個感光元件都直接整合了放大器和模�(shù)�(zhuǎn)換邏�,當(dāng)感光二極管接受光�、產(chǎn)生模擬的電信號之�,電信號首先被該感光元件中的放大器放大,然后直接�(zhuǎn)換成對應(yīng)的數(shù)字信�。換句話說,在CMOS傳感器中,每一個感光元件都可產(chǎn)生最終的�(shù)字輸�,所得數(shù)字信號合并之后被直接送交DSP芯片處理—問題恰恰是�(fā)生在這里,CMOS感光元件中的放大器屬于模擬器�,無法保證每個像點的放大率都保持�(yán)格一致,致使放大后的圖像�(shù)�(jù)無法代表拍攝物體的原貌—體�(xiàn)在最終的輸出�(jié)果上,就是圖像中出現(xiàn)大量的噪�,品�(zhì)明顯低于CCD傳感��
說到CCD的尺寸,其實是說感光器件的面積大�,這里就包括了CCD和CMOS。感光器件的面積越大,也即CCD/CMOS面積越大,捕獲的光子越多,感光性能越好,信噪比越低。CCD/CMOS是數(shù)碼相�(jī)用來感光成像的部�,相�(dāng)于光�(xué)傳統(tǒng)相機(jī)中的膠卷�
CCD上感光組件的表面具有儲存電荷的能�,并以矩陣的方式排列。當(dāng)其表面感受到光線�,會將電荷反�(yīng)在組件上,整個CCD上的所有感光組件所�(chǎn)生的信號,就�(gòu)成了一個完整的畫面�
如果分解CCD,你會發(fā)�(xiàn)CCD的結(jié)�(gòu)為三�,層是“微型鏡頭�,第二層是“分色濾色片”以及第三層“感光層��
層“微型鏡頭�
我們知�,數(shù)碼相�(jī)成像的關(guān)鍵是在于其感光層,為了擴(kuò)展CCD的采光率,必須擴(kuò)展單一像素的受光面�。但是提高采光率的辦法也容易使畫�(zhì)下降。這一層“微型鏡頭”就等于在感光層前面加上一副眼�。因此感光面積不再因為傳感器的開口面積而決�,而改由微型鏡片的表面積來決定�
第二層是“分色濾色片�
CCD的第二層是“分色濾色片�,目前有兩種分色方式,一是RGB原色分色�,另一個則是CMYK�(bǔ)色分色法這兩種方法各有優(yōu)缺點。首�,我們先了解一下兩種分色法的概�,RGB即三原色分色�,幾乎所有人類眼鏡可以識別的顏色,都可以通過�、綠和藍(lán)來組�,而RGB三個字母分別就是Red, Green和Blue,這說明RGB分色法是通過這三個通道的顏色調(diào)節(jié)而成。再說CMYK,這是由四個通道的顏色配合而成,他們分別是青(C�、洋�(M)、黃(Y)、黑(K)。在印刷�(yè)�,CMYK更為適用,但其調(diào)節(jié)出來的顏色不及RGB的多�
原色CCD的優(yōu)勢在于畫�(zhì)銳利,色彩真實,但缺點則是噪聲問�。因此,大家可以注意,一般采用原色CCD的數(shù)碼相�(jī),在ISO感光度上多半不會超過400。相對的,補(bǔ)色CCD多了一個Y黃色濾色�,在色彩的分辨上比較仔細(xì),但卻犧牲了部分影像的分辨率,而在ISO值上,補(bǔ)色CCD可以容忍較高的感光度,一般都可設(shè)定在800以上
第三層:感光�
CCD的第三層是“感光片�,這層主要是負(fù)�(zé)將穿過濾色層的光源轉(zhuǎn)換成電子信號,并將信號傳送到影像處理芯片,將影像還原�
傳統(tǒng)的照相機(jī)膠卷尺寸�35mm�35mm為膠卷的寬度(包括齒孔部分)�35mm膠卷的感光面積為36 x 24mm。換算到�(shù)碼相�(jī),對角長度約接近35mm的,CCD/CMOS尺寸越大。在單反�(shù)碼相�(jī)�,很多都擁有接近35mm的CCD/CMOS尺寸,例如尼康德D100,CCD/CMOS尺寸面積�(dá)�23.7 x 15.6,比起消費級�(shù)碼相�(jī)要大很多,而佳能的EOS-1Ds的CMOS尺寸�36 x 24mm,達(dá)到了35mm的面�,所以成像也相對較好�
�(xiàn)在市面上的消費級�(shù)碼相�(jī)主要�2/3英寸�1/1.8英寸�1/2.7英寸�1/3.2英寸四種。CCD/CMOS尺寸越大,感光面積越�,成像效果越��1/1.8英寸�300萬像素相�(jī)效果通常好于1/2.7英寸�400萬像素相�(jī)(后者的感光面積只有前者的55[[%]])。而相同尺寸的CCD/CMOS像素增加固然是件好事,但這也會導(dǎo)致單個像素的感光面積縮小,有曝光不足的可能。但如果在增加CCD/CMOS像素的同時想維持�(xiàn)有的圖像�(zhì)�,就必須在至少維持單個像素面積不減小的基�(chǔ)上增大CCD/CMOS的總面積。目前更大尺寸CCD/CMOS加工制造比較困難,成本也非常高。因�,CCD/CMOS尺寸較大的數(shù)碼相�(jī),價格也較高。感光器件的大小直接影響�(shù)碼相�(jī)的體積重量。超�、超輕的�(shù)碼相�(jī)一般CCD/CMOS尺寸也小,而越的數(shù)碼相�(jī),CCD/CMOS尺寸也越��
有多種讀出模式特�: 逐行掃描方式、隔行掃
描方�、雙行同時讀出模�、圖像區(qū)行累�、拖影消�;
快速單脈沖圖像區(qū)清除特�;
能�(jìn)�1/60~1/50 000 秒的持續(xù)電子曝光控制;
7.4 μm×7.4 μm 像素;
先�(jìn)橫向溢出漏級反模糊技�(shù);
暗電流小;
感光反應(yīng)一致性高;
動態(tài)范圍�;
光敏感度�;
�(lán)色響�(yīng)�;
無圖像老化、圖像殘�、圖像失真、圖像延�
或顫噪效�(yīng)等現(xiàn)��
可視信息日趨重要,隨著多媒體系�(tǒng)的發(fā)�,圖像傳感器成為人們關(guān)注的焦點。眼睛是人類和動物的圖像接收�,而圖像傳感器則是電子�(shè)備的圖像接收�。圖像傳感器有兩種:線型圖像傳感器一般用在傳真機(jī)及掃描儀之類的產(chǎn)品中;面型圖像傳感器則廣泛地用于攝錄像�(jī),安全保衛(wèi)照相�(jī)、數(shù)碼相�(jī)及計算機(jī)照相�(jī),并開始用于傳�(tǒng)上的非視像產(chǎn)�,如移動電�、個人�(shù)字助�(PDA)��
面型圖像傳感器中有CCD和CMOS兩種模式。通常,傳送優(yōu)良圖像質(zhì)量的�(shè)備都采用CCD圖像傳感�,而注重功耗和成本的產(chǎn)品則選擇CMOS圖像傳感�。但新的技�(shù)正在克服每種器體固有的弱�,同時保留了適合于特定用途的某些特�。目前兩種圖像傳感器仍隨著信�、通信、互�(lián)�(wǎng)及便攜式電子�(shè)備的�(fā)展而發(fā)�。比�,圖像傳感器在移動電話以及攝錄像機(jī)和數(shù)碼相�(jī)方面都面對著一個急速成長的市場。歐�、韓國及日本制造商卻關(guān)注著帶內(nèi)置照相機(jī)的移動電�,它將給圖像接收設(shè)備創(chuàng)造一個不斷成長的市場�
CCD圖像傳感器由在單晶硅基片上呈二維排列的光電二極管及其傳送電路構(gòu)�。光電二極管把光�(zhuǎn)換成電荷,再經(jīng)�(zhuǎn)換電路傳送和輸出�
CCD圖像傳感器按其傳送方法分為兩�(�1)。行間傳�(IT)型幾乎每一像素都有移位寄存�,并把來自光電二極管的圖像值送到移位寄存�。CCD用微鏡覆�,以改善占空因�。在幀行間傳�(FIT)CCD(有人稱之為全幀傳送CCD)�,CCD把整整一幀的圖像數(shù)�(jù)送入串行移位寄存�,由它�(jìn)行未加工原始圖像的處理。此�,該系�(tǒng)還把電荷迅速傳送�(jìn)儲能�,供橫向寄存器�(jìn)行電荷的連續(xù)輸出。三洋電子及Philips消費電子公司是兩家FIT系統(tǒng)�(yīng)用到CCD圖像傳感器的制造商�
通常光電二級管均勻排列成矩形點陣,但某些制造商已開�(fā)出了不同的設(shè)�。幾年前,日本富士照相膠卷公司與富士膠卷微器件公司共同開發(fā)了Super CCD蜂房傳感器技�(shù)。這種�(jié)�(gòu)不是傳統(tǒng)的縱橫向排列,而采用了錯列方式,既提高了空間使用率和像素密集�,又符合人類視覺的特點。富士膠卷在其數(shù)碼相�(jī)上采用這一�(jié)�(gòu),獲得了優(yōu)良的圖像�(zhì)量。今年初公司推出了供�(shù)碼相�(jī)用的�(zhì)量更高的超級CCD蜂房傳感�,獨具橫向與縱向像素的混合功能,并有信號處理能力,使靈敏度�(dá)到ISO1600�。因�,該傳感器能以30fps速率攝錄VGA移動圖像,還能在各種場合包括暗處捕捉圖��
采用FIT圖像傳感器的三洋公司,�(shè)計了CCD傳感器用芯片級封�(CSP),是最早采用CSP的產(chǎn)品之一。它�2片玻璃板之間夾著CCD基片,并在后續(xù)級上備有信號處理LSI(大規(guī)模IC)。攝錄時鐘與輸出電路的功耗從5V降為2.8V,從而CCD圖像傳感器的功耗可與CMOS圖像傳感器相�(dāng)。公司正把這種CCD傳感器用到電池工作的移動電話中。公司還提供傳輸速度15fps以下5mW的單獨CCD傳感器樣��
CMOS圖像傳感�
CMOS傳感器采用與存儲器及邏輯IC同樣的互�(bǔ)金屬氧化物半�(dǎo)�(CMOS)工藝。傳�(tǒng)�,CMOS傳感器的靈敏度較�,在燈光暗淡場合轉(zhuǎn)�(fā)的圖像質(zhì)量不�。因�,即使CMOS傳感器的靈敏度較�,且可�(yùn)用單一電源,但在大批量產(chǎn)品中的應(yīng)用依然落在了CCD圖像傳感器的后面�
今天情況正在�(fā)生變�。CMOS圖像傳感器除了在移動終端及電子手持或圖像�(shè)備應(yīng)用時具有低功耗優(yōu)�,之外,其靈敏度也取得了新的�(jìn)展。移動電話極大的市場潛力,促使許多公司跨入CMOS圖像傳感器領(lǐng)�。夏普是首先�(jìn)入的公司之一,它為日本移動服務(wù)提供商J-Phone開發(fā)了一種內(nèi)置照相機(jī)的移動電話機(jī)。該�(chǎn)品獲得巨大成�,為其他同類制造商鋪平了發(fā)展道��
器件的圖像質(zhì)量通過工藝與電路技�(shù)�(jìn)步而大獲改�,在照相機(jī)亮度方面的靈敏度尤有改�(jìn)。東芝公司年初推出了一種VGA級傳感器TCM5063T和CIF傳感器TCM5073T,在黑暗處攝錄較之普通產(chǎn)�,其輸出電壓只及三分之一,靈敏度高一�,照明亮度只要3勒克�。它采用的是新開�(fā)的低漏泄電源光電二極��
像CCD傳感器一�,封裝技�(shù)是CMOS傳感器面臨的一大問�,問題在于如何縮小包括信號處理LSI在內(nèi)的照相機(jī)模塊尺寸。富士通公司為此開�(fā)成功一種CMOS傳感器模塊尺寸為7.80×6.98×4.98mm,體積0.27cc。這種單芯片產(chǎn)品采用了公司自己的凸點芯片載�(BCC-Bump Chip Carrier)封裝,這是一種無引線模壓線鍵合的芯片�(guī)模封�,采用樹脂凸點。不�,公司還將推出另一類傳感器模塊系列,采用更低漏泄電流的改�(jìn)工藝技�(shù)�
圖像傳感器市�
隨著技�(shù)和應(yīng)用的迅速發(fā)�,中國臺灣、韓�、美國及其他地區(qū)的半�(dǎo)體制造商也開始�(jìn)入CMOS圖像傳感器市場。中國臺灣和韓國公司都正加強(qiáng)其CMOS傳感器業(yè)�(wù)活動,臺灣的IC Media公司已開�(fā)出了一�4勒克斯亮度模�,并積極開拓移動電�、PDA、數(shù)碼相�(jī)及其它增長市�。韓國三星電子公司也把其CMOS傳感器業(yè)�(wù)看作支柱�(chǎn)�,正大力招徠日本移動電話制造商。與此同�,日本Seiko Epson公司則得到了Innotech公司�(guān)于閾值電壓調(diào)制圖像傳感器(VMIS-Voltage Modulation Image Sensor)的授�(quán)。VMIS是一種固體傳感器,它把CMOS工藝與相�(dāng)于CCD器件的圖像質(zhì)量結(jié)合一�,通過最有效地把光電二極管電荷轉(zhuǎn)換成電荷而達(dá)到優(yōu)�(zhì)圖像�(zhì)��
過去大多�(shù)面型圖像傳感�(CCD都用作攝錄機(jī)、汽車監(jiān)視系�(tǒng)及其他自動檢測設(shè)�(即所謂“電眼�)。然�,�(dāng)90年代中期Casio Computer公司推出QV10�(shù)碼相�(jī)�,開辟了一個嶄新市�,圖像傳感器市場正隨著�(shù)碼相�(jī)工業(yè)的迅速增長而急劇�(kuò)�(參見�2)�
許多�(yè)界人士預(yù)�,今年全球�(shù)碼相�(jī)市場即將突破2000萬臺,成為超過攝錄�(jī)的主要市��
�(shù)碼相�(jī)技�(shù)�(jīng)�100萬像素的�(jī)型到200萬像素稍后達(dá)到了400萬像�,今天的機(jī)型更高達(dá)500萬像�,在理論上其圖像質(zhì)量已能與膠卷相機(jī)媲美。不過現(xiàn)在主流產(chǎn)品大多還�200萬像素左右的照相�(jī)。一些制造商正擴(kuò)充機(jī)�,以求大量銷售;此外,一些開�(fā)商仍繼續(xù)在像素密度上努力�
�(shù)碼相�(jī)市場的特征是地區(qū)和主題的競爭,除Eastman Kodak 公司�,�(shù)碼相�(jī)的早期開�(fā)商和制造商大多為日本公�,它們的�(chǎn)品行銷全�。然而近來中國臺灣制造商也正全力搶入這一市場�
除了公司之間的競爭外,還有各種�(chǎn)品之間的競爭,眼下,CMOS圖像傳感器正在爭奪CCD早已確立的地�,這一走勢始于夏普推出的SH-04模塊。CMOS器件小巧省電,對移動式互聯(lián)�(wǎng)終端的開�(fā)商與制造商極具吸引力�
競爭的加�,也迫使CCD制造商加緊了對�(chǎn)品的改�(jìn)。一些著眼于移動電話市場的制造商正競相開�(fā)小型低功耗CCD照相�(jī)模塊,另一些則�(guān)注CCD傳感器的超級圖像�(zhì)�。三洋公司開�(fā)的超小型CCD照相�(jī)模塊,生產(chǎn)能力已達(dá)50萬塊,不久將上升到150萬塊。富士照相機(jī)膠卷公司開發(fā)的Super CCD Honey comb除供自己的數(shù)碼相�(jī)用外,還打算�(jìn)入移動電話市�,前景可觀�
Cahners In-stat Group的調(diào)查表�,2003年后,�(yè)界可望從�(nèi)置相�(jī)的移動電話大量上市而獲得豐厚的利潤。日本市場分析家�(rèn)�,2003年帶�(nèi)置相�(jī)的移動電話將占全球市場的10[[%]],2004年將上升到占20[[%]]�
總之,�(shù)碼相�(jī)用圖像傳感器今年可望突破2000萬�,明年接近3000萬�,2004年將增加到了500萬個左右。移動電話用圖像傳感器發(fā)展最�,明年接近2000萬�,2004年可望達(dá)6000萬�。此�,2004年計算機(jī)照相�(jī)用圖像傳感器�(yù)計可�(dá)3500萬�,�(shù)�?jǐn)z錄機(jī)用的1280萬�,PDA和手持計算機(jī)用的580萬�,汽車用的530萬��