圖像傳感器發(fā)展應(yīng)用及研發(fā)進展分析

當前數(shù)碼技術(shù)、半導(dǎo)體制造技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)的高速發(fā)展，數(shù)碼產(chǎn)品的市場以驚人的速度再增長，組成視訊、影音產(chǎn)品的關(guān)鍵零部件--圖像傳感器(Sensor)就成為當前以及未來業(yè)界重點關(guān)注的對象。圖像傳感器主要有CCD和CMOS兩種芯片，而在我們目前的高清安防監(jiān)控領(lǐng)域，兩種芯片技術(shù)都有所應(yīng)用。

圖像傳感器的發(fā)展及應(yīng)用

眼睛是人的視覺圖像來源，而圖像傳感器就是視頻采集設(shè)備的圖像接受裝置。圖像傳感器按形態(tài)分類一般有兩類：線型圖像傳感器、面型圖像傳感器。線型圖像傳感器多用在掃描儀、復(fù)印機、傳真機等設(shè)備中。而面型圖像傳感器則廣泛的應(yīng)用在我們熟知的安防監(jiān)控攝像機、手機攝像頭、汽車倒車影像攝像機、平板電腦等產(chǎn)品中。

剛剛我們說到，圖像傳感器有CCD與CMOS芯片兩種。早期，我們通常認為圖像畫質(zhì)優(yōu)秀的設(shè)備都采用CCD傳感器，而低成本產(chǎn)品則使用CMOS傳感器。但是新的CMOS芯片技術(shù)已經(jīng)克服了早期CMOS傳感器的技術(shù)弱點，傳感器的設(shè)計上相比老產(chǎn)品提升了低照性能、曝光模式等。拿目前流行的背照式CMOS傳感器來說，在傳統(tǒng)的CMOS圖像傳感器中，感光二極管位于電路晶體管后方，光線會通過微透鏡和光電二極管之間的電路和晶體管，那么進光量就會因遮擋而受到影響。

背照式CMOS傳感器在圖像傳感器原件內(nèi)部的結(jié)構(gòu)上做了優(yōu)化，它將感光層的原件調(diào)轉(zhuǎn)方向，讓光線從背面直射進去以增大芯片的感光量，這樣背照式CMOS圖像傳感器比傳統(tǒng)CMOS傳感器在感光靈敏度上有質(zhì)的飛躍，在低照度環(huán)境下，采用背照式CMOS傳感器的高清攝像機在聚焦能力、圖像畫質(zhì)表現(xiàn)、圖像噪點控制等方面有了極大的性能提升。

背照式CMOS圖像傳感器除了優(yōu)秀的低照等性能外，還具有更好的高感光控噪性能。也就是說在ISO提高之后，噪點會比CCD少得多。這在低照環(huán)境下的圖像采集有很大優(yōu)勢，高幀率性能更好。

背照式CMOS傳感器往往都是高速芯片，眾多芯片均支持全高清畫質(zhì)每秒60幀或更高幀率的圖像輸出，而在這方面CCD傳感器比較吃力。現(xiàn)在主流的采用背照式CMOS傳感器的高清攝像機大多支持1080P@30fps全高清視頻或720P@60fps。而我們常見的CCD傳感器攝像機只能夠720p@25fps，支持1080P格式的CCD傳感器造價高昂。背照式CMOS傳感器像素可以再高些。

雖說無論是背照CMOS或是CCD，都可以提高有效像素。但是背照式CMOS的構(gòu)造決定了傳感器面積不變的情況下，可以將有效像素進一步提高，畫質(zhì)也能夠保持得比較好。相比之下CCD盲目提高像素的話，畫質(zhì)就會很差，而且隨著像素提高，芯片尺寸也在變大造成成本幾何倍數(shù)上升。

CCD傳感器制造工藝較復(fù)雜，采用CCD傳感器的攝像機價格都會相對比較高。事實上經(jīng)過技術(shù)改造，目前CCD和CMOS的實際效果的差距已經(jīng)減小了不少。而且CMOS芯片的制造成本和功耗都要遠低于CCD，所以很多高清攝像機廠家采用CMOS圖像傳感器。成像方面：在相同像素下CCD的成像通透性、明銳度都很好，色彩還原、曝光可以保證基本準確。

而CMOS的產(chǎn)品目前畫面通透性一般，對實物的色彩還原能力偏弱，曝光模式由于大多使用Rolling Shutter模式造成高速運動物體傳感器在捕捉時存在畸變的問題，CMOS的成像質(zhì)量和CCD傳感器在畫質(zhì)要求較為嚴格的場景中還是有一定距離的。但由于低廉的價格以及高度的整合性，因此在日益迅速發(fā)展的高清攝像機市場中還是得到了廣泛的應(yīng)用。

圖像傳感器的最新研發(fā)成果

2012年CMOS圖像傳感器受到市場青睞重要原因在于過去大大低于CCD的靈敏度問題由于使用了新的傳感器技術(shù)，如背照式CMOS，逐步得到解決。和CCD傳感器相比，CMOS傳感器具有更好的量產(chǎn)性，而且容易實現(xiàn)包含其他邏輯電路在內(nèi)的SoC(System on Chip)產(chǎn)品，而這在CCD芯片中卻很難實現(xiàn)。

尤其是CMOS傳感器不像CCD芯片那樣需要特殊的制造工藝，因此可直接使用面向DRAM等大批量產(chǎn)品的生產(chǎn)設(shè)備。這樣一來，CMOS圖像傳感器就有可能形成完全不同于CCD圖像傳感器的成本結(jié)構(gòu)，同時也為CMOS傳感器高度集成化開辟了新的發(fā)展方向。早期市場上就曾經(jīng)推出過CMOS傳感器自帶ISP處理器，內(nèi)含2A(AE、AWB)控制算法。而發(fā)展至今，這樣的產(chǎn)品極受市場的歡迎和青睞。

眾多不具備ISP圖像處理器/ISP算法研發(fā)能力的小企業(yè)可以使用自帶2A處理的CMOS傳感器來制造高清攝像機。傳統(tǒng)的高清攝像機架構(gòu)中，從前端到后端一般分為幾個組成部分：圖像傳感器SENSOR，ISP圖像傳感器，壓縮/信號轉(zhuǎn)換處理;而如果使用集成ISP的CMOS傳感器，中間部分使用FPGA芯片實現(xiàn)的ISP單元就可以省去，這樣既有效的降低設(shè)備整體BOM成本，又繞過了ISP算法的研發(fā)門檻。目前市場上價格較為低廉的720P高清網(wǎng)絡(luò)攝像機大多都使用此類方案。

近期又有廠家推出了集成Real幀級寬動態(tài)的超寬動態(tài)高清背照式CMOS傳感器，與之前的集成2A功能的CMOS SENSOR不同，這款產(chǎn)品使用了傳感器廠家拿手的幀級寬動態(tài)技術(shù)。我們知道，對于高清攝像機的圖像處理，尤其是ISP部分依靠的不僅僅是研發(fā)實力，也依靠對于圖像處理調(diào)試的豐富經(jīng)驗積累。那么一款自帶幀級寬動態(tài)功能的背照式CMOS傳感器產(chǎn)品，不僅將傳感器的動態(tài)范圍提升至120dB以上，也為攝像機生產(chǎn)廠家節(jié)省了研發(fā)投入。

除了上述這種集成ISP圖像處理的圖像傳感器，未來市場推出集成壓縮處理的圖像傳感器也是方向之一。將攝像機的核心部件高度集成化是未來的發(fā)展趨勢，這些都得益于CMOS傳感器具有更好的量產(chǎn)性，而且容易實現(xiàn)包含其他邏輯電路的架構(gòu)特性。