2024年2月7日发(作者：舒晨星)
图像传感器及其应用
一、图像传感器介绍
（一）图像传感器简介
图像传感器，是组成数字摄像头的重要组成部分。根据元件的不同，可分为CCD（Charge Coupled Device，电荷耦合元件）和CMOS（Complementary Metal-Oxide
Semiconductor，金属氧化物半导体元件）两大类。
（二）CCD图像传感器
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。
（三）CMOS图像传感器
在CMOS图像传感器芯片上还可以集成其他数字信号处理电路，如AD转换器、自动曝光量控制、非均匀补偿、白平衡处理、黑电平控制、伽玛校正等，为了进行快速计算甚至可以将具有可编程功能的DSP器件与CMOS器件集成在一起，从而组成单片数字相机及图像处理系统。
1963年Morrison发表了可计算传感器，这是一种可以利用光导效应测定光斑位置的结构，成为CMOS图像传感器发展的开端。1995年低噪声的CMOS有源像素传感器单片数字相机获得成功。
CMOS图像传感器具有以下几个优点：1）、随机窗口读取能力。随机窗口读取操作是CMOS图像传感器在功能上优于CCD的一个方面，也称之为感兴趣区域选取。此外，CMOS图像传感器的高集成特性使其很容易实现同时开多个跟踪窗口的功能。2）、抗辐射能力。总的来说，CMOS图像传感器潜在的抗辐射性能相对于CCD性能有重要增强。3）、系统复杂程度和可靠性。采用CMOS图像传感器可以大大地简化系统硬件结构。4）、非破坏性数据读出方式。5）、优化的曝光控制。值得注意的是，由于在像元结构中集成了多个功能晶体管的原因，CMOS图像传感器也存在着若干缺点，主要是噪声和填充率两个指标。鉴于CMOS图像传感器相对优越的性能，使得CMOS图像传感器在各个领域得到了广泛的应用。
二、CCD图像传感器
（一）CCD发展历史
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。
（二）CCD传感器特点
1．高解析度
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；
2．低杂讯
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；
3．动态范围广
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。
4．良好的线性特性曲线
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；
5．高光子转换效率
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；
6．大面积感光
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；
7．光谱响应广
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
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；
9．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；
10．低秏电力
11．不受强电磁场影响
12．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；
13．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。
（三）CCD传感器的应用
CMOS图像传感器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。
（四）CCD传感器的市场品牌
具有业界最大尺寸的CCD传感器，在数码相机的应用中，其35mm尺寸的CCD已经应用在“Contax”的数码相机中，成为专业数码相机的代言人。其次该公司还具有独特的“Frame-Transfer CCD”（面扫描）技术，该产品在应用中，可实现每秒30-60幅的速率。这是真正视频信号的速度。
柯达的CCD采用了广受好评的ITO CCD（氧化铟锡）技术，而不是传统的聚硅化合物。其特点是敏锐度更高，透光性比一般CCD提高了20%，对于一般CCD感应较弱的蓝光以及抗杂讯干扰方面有突破性的改善，其对蓝光感应能力提高了2.5倍，同时大幅降低了杂讯干扰，使影像更强锐利、色彩更加准确，为专业数码摄影提供了高解析度、锐利度的影像。
传统CCD使用的是矩形的感光单元，而富士公司2012年前研制的“SuperCCD（超级蜂窝结构）使用的是八边形的感光单元，使用了蜂巢的八边形结构，因此其感光单元面积要高于传统CCD。这样会获得三个好处，一是可以提高CCD的感光度、二是提高动态范围、三是提高了信噪比。这三个优点加上SuperCCD更高的生成像素成为富士公司在数码相机产品上的最大卖点。
三、CMOS图像传感器
（一）CMOS发展历史
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。
（二）CMOS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。
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。
（三）CMOS的市场
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%。
2024年2月7日发(作者：舒晨星)
图像传感器及其应用
一、图像传感器介绍
（一）图像传感器简介
图像传感器，是组成数字摄像头的重要组成部分。根据元件的不同，可分为CCD（Charge Coupled Device，电荷耦合元件）和CMOS（Complementary Metal-Oxide
Semiconductor，金属氧化物半导体元件）两大类。
（二）CCD图像传感器
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。
（三）CMOS图像传感器
在CMOS图像传感器芯片上还可以集成其他数字信号处理电路，如AD转换器、自动曝光量控制、非均匀补偿、白平衡处理、黑电平控制、伽玛校正等，为了进行快速计算甚至可以将具有可编程功能的DSP器件与CMOS器件集成在一起，从而组成单片数字相机及图像处理系统。
1963年Morrison发表了可计算传感器，这是一种可以利用光导效应测定光斑位置的结构，成为CMOS图像传感器发展的开端。1995年低噪声的CMOS有源像素传感器单片数字相机获得成功。
CMOS图像传感器具有以下几个优点：1）、随机窗口读取能力。随机窗口读取操作是CMOS图像传感器在功能上优于CCD的一个方面，也称之为感兴趣区域选取。此外，CMOS图像传感器的高集成特性使其很容易实现同时开多个跟踪窗口的功能。2）、抗辐射能力。总的来说，CMOS图像传感器潜在的抗辐射性能相对于CCD性能有重要增强。3）、系统复杂程度和可靠性。采用CMOS图像传感器可以大大地简化系统硬件结构。4）、非破坏性数据读出方式。5）、优化的曝光控制。值得注意的是，由于在像元结构中集成了多个功能晶体管的原因，CMOS图像传感器也存在着若干缺点，主要是噪声和填充率两个指标。鉴于CMOS图像传感器相对优越的性能，使得CMOS图像传感器在各个领域得到了广泛的应用。
二、CCD图像传感器
（一）CCD发展历史
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。
（二）CCD传感器特点
1．高解析度
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；
2．低杂讯
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；
3．动态范围广
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。
4．良好的线性特性曲线
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；
5．高光子转换效率
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；
6．大面积感光
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；
7．光谱响应广
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
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；
9．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；
10．低秏电力
11．不受强电磁场影响
12．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；
13．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。
（三）CCD传感器的应用
CMOS图像传感器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。
（四）CCD传感器的市场品牌
具有业界最大尺寸的CCD传感器，在数码相机的应用中，其35mm尺寸的CCD已经应用在“Contax”的数码相机中，成为专业数码相机的代言人。其次该公司还具有独特的“Frame-Transfer CCD”（面扫描）技术，该产品在应用中，可实现每秒30-60幅的速率。这是真正视频信号的速度。
柯达的CCD采用了广受好评的ITO CCD（氧化铟锡）技术，而不是传统的聚硅化合物。其特点是敏锐度更高，透光性比一般CCD提高了20%，对于一般CCD感应较弱的蓝光以及抗杂讯干扰方面有突破性的改善，其对蓝光感应能力提高了2.5倍，同时大幅降低了杂讯干扰，使影像更强锐利、色彩更加准确，为专业数码摄影提供了高解析度、锐利度的影像。
传统CCD使用的是矩形的感光单元，而富士公司2012年前研制的“SuperCCD（超级蜂窝结构）使用的是八边形的感光单元，使用了蜂巢的八边形结构，因此其感光单元面积要高于传统CCD。这样会获得三个好处，一是可以提高CCD的感光度、二是提高动态范围、三是提高了信噪比。这三个优点加上SuperCCD更高的生成像素成为富士公司在数码相机产品上的最大卖点。
三、CMOS图像传感器
（一）CMOS发展历史
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。
（二）CMOS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。
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。
（三）CMOS的市场
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%。