CMOS和CCD圖像傳感器概述

隨著各式消費性電子的興起，圖像傳感器已成為半導體業(yè)中最耀眼的明星產(chǎn)品之一，而在圖像傳感器中，CCD傳感器與新興成長的 CMOS Sensor也逐漸找到自己的應用市場，希望成為市場上的主流技術。CMOS圖像傳感器與CCD傳感器相比具有感光度低、信噪比高的缺點，但是其仍具有低功耗、低成本等優(yōu)點。針對全球Image Sensor (影像傳感器) IC組件市場分析，2010年全球Image Sensor 組件應用市場規(guī)模為7.1億美元，在經(jīng)過金融風暴的影響后，仍持續(xù)呈現(xiàn)正成長趨勢。TRI預估在2012年Image Sensor市場之規(guī)模將近8.5億美元；Image Sensor市場占比尤以CMOS Sensor之比重為高，平均占比約在9成左右。

針對CMOS Sensor市場規(guī)模分析，2010年CMOS Sensor 組件整體市場規(guī)模為6.3億美元，占整體Image Sensor市場89%，整體市場趨勢平均維持90%的區(qū)間范圍。而在各項消費性電子搭載的滲透率偏高的狀態(tài)下，未來成長幅度趨緩進入產(chǎn)業(yè)成長成熟期，TRI預估CMOS Sensor在2011年年成長率為13%，未來將追求在技術像素及制造成本上的進步。

CMOS Sensor為攝像機模塊應用市場最重要的影像傳感器應用組件，其中應用占比最高的為通訊電子商品，占整體CMOS Sensor市場的70%，而CMOS Sensor市場的主要應用包括安全系統(tǒng)、車用系統(tǒng)、PC相關周邊應用、數(shù)碼相機等。IPad帶動的平板電腦市場是CMOS Sensor成長最快的應用市場。

安防攝像機的應用市場占圖像傳感器市場值1成之間，過去多使用CCD作為影像傳感器，近年來CMOS Sensor的性能不斷提升，開始打入長久為CCD Sensor獨占的市場，主要偏向較低價的安防攝像機。

CCD與CMOS的技術特點

CCD與CMOS的技術特點主要在于成像過程、集成度、功耗、性能指標等方面。

成像過程

CCD和CMOS使用相同的光敏材料，因而受光后產(chǎn)生電子的基本原理相同，但是讀取過程不同：CCD是在同步信號和時鐘信號的配合下以幀或行的方式轉(zhuǎn)移，整個電路非常復雜，讀出速率慢；CMOS則以類似DRAM的方式讀出信號，電路簡單，讀出速率高。

集成度

采用特殊制造工藝的CCD讀出電路比較復雜，很難將A/D轉(zhuǎn)換、信號處理、自動增益控制、精密放大和存儲功能集成到一塊芯片上，一般需要多個芯片組合實現(xiàn)，同時還需要一個多通道非標準供電電壓。借助于大規(guī)模集成制造工藝，CMOS圖像傳感器能非常容易地把上述功能集成到單一芯片上，多數(shù)CMOS圖像傳感器同時具有模擬和數(shù)字輸出信號。

電 源、功 耗 和 體 積

CCD需多種電源供電，功耗較大，體積也比較大。CMOS只需一個單電源(3V～5V)供電，其功耗相當于CCD的1/10，高度集成CMOS芯片可以做的相當小。

性能指標

CCD技術已經(jīng)相當成熟，而CMOS正處于蓬勃發(fā)展時期，雖然目前高端CMOS圖像質(zhì)量暫時不如CCD，但有些指標（如傳輸速率等方面）已超過CCD。由于CMOS具有諸多優(yōu)點，國內(nèi)外許多機構已經(jīng)應用CMOS圖像傳感器開發(fā)出眾多產(chǎn)品。

CMOS傳感器關鍵技術取得突破

CMOS傳感器的技術發(fā)展跟隨摩爾定律快速發(fā)展，尤其是幾年來在市場需求的推動下，關鍵技術不斷取得突破。對于用戶關注的CMOS的照度和噪點等問題，實際上可見光下CMOS的信噪比遠高于CCD。一方面，隨著國際CMOS大廠的不斷改進，CMOS還繼續(xù)在成像的通透性、對實物的色彩還原能力等方面迎頭趕上。研發(fā)了感光度增強技術，進而通過使用大尺寸傳感器提高開口率，這正是提高CMOS感光能力的最直接辦法。即便是在噪音控制方面，有公司將專門的噪聲檢測算法直接整合于CMOS圖像傳感器的控制邏輯中。通過這項技術，固定噪聲就可以成功剔除了。更何況CMOS的價格遠低于CCD設備。另一方面，在ISP中采用多種技術革新，如去噪技術來提升CMOS的噪點問題。

此外，從工藝上來講，CCD每提升100萬像素就需要對其生產(chǎn)線進行改造，研發(fā)生產(chǎn)的成本比較高。如果CCD尺寸仍然維持在2/3英寸的話，單位電極的間隙就被限制在0.4微米以內(nèi)，進而導致制造中產(chǎn)生的損品率與生產(chǎn)成本大幅度攀升。

在各主力廠商的不斷努力下，新的CMOS器件不斷推陳出新，高動態(tài)范圍CMOS器件已經(jīng)出現(xiàn)，這一技術消除了對快門、光圈、自動增益控制及伽瑪校正的需要。另外由于CMOS先天的可塑性，可以做出高分辨率像素的大型CMOS感光器而成本卻不上升多少。相對于CCD的停滯不前相比，CMOS作為新生事物而展示出了蓬勃的活力。CMOS圖像傳感器正在向高分辨率、高動態(tài)范圍、高靈敏度、數(shù)字化、多功能化的多元化的細分市場發(fā)展。隨著CMOS圖像傳感器技術的不斷進度，CMOS傳感器在安防攝像機的應用會不斷增大。

結束語

ISP是CMOS和CCD攝像機中的重要器件，ISP主要負責對傳感器中出來的圖像數(shù)據(jù)進行后處理。直接從傳感器中得到的圖像是很糟糕的，不論色彩還是細節(jié)都與實際圖像有很大差距，只能看到圖像的中物體的大致輪廓。經(jīng)過ISP的處理，包括內(nèi)插、去噪、去壞點、邊緣加強、膚色矯正、白平衡等操作后，可以使圖像變的更加細膩，更加貼近真實世界中的圖像。ISP的主要功能包括線性糾正、噪聲去除、壞點去除、內(nèi)插、白平衡、自動曝光控制等。

隨著CMOS傳感器和ISP芯片技術的快速進步，廣大攝像機廠家將會有更多的功能豐富的方案選擇，CMOS傳感器在安防攝像機中將會得到越來越多的應用。