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带您了解图像传感器的应用场景

放大字体  缩小字体 发布日期:2018-06-05  来源:传感器技术  浏览次数:895
核心提示:除了CIS接触式图像传感器,一直以来,人们经常讨论CMOS和CCD两种图像传感器之间的比较优势,但自始至终,却还都没有定论。由于人
除了CIS接触式图像传感器,一直以来,人们经常讨论CMOS和CCD两种图像传感器之间的比较优势,但自始至终,却还都没有定论。由于人们关注的主题总在不断变化,因此,关于问题的答案也是不确定的。

科技在进步,市场也日新月异,影响产品竞争力的因素不再只是技术,还包括商业利益。图像传感器的应用范围也发生了变化,需要满足更多不同的需求。

有一些应用是CMOS成像器的强项,另一些则是CCD的优势。在本文中,我们也不讨论孰强孰弱,只是深入探讨一下这两种图像传感器在不同领域的应用和发展情况,以方便大家根据自身的实际情况作出正确的选择。

数码相机领域

数码相机

早期,在数码相机领域,CCD是无可争议的霸主,绝大部分数码相机都采用CCD成像,只有佳能在自己的高端单反相机型号上采用CMOS元件。不过近年来,CMOS发展势头迅猛,几乎已经在家用单反相机中一统江湖。

CCD元件的色彩饱和度好,图像较为锐利,质感更加真实,特别是在较低感光度下的表现很好。不过,CCD元件的制造成本高,在高感光度下的表现不太好,而且功耗较大。

CMOS的色彩饱和度和质感则略差于CCD,但处理芯片可以弥补这些差距。重要的是,CMOS具备硬件降噪机制,在高感光度下的表现要好于CCD,此外,它的读取速度也更快。

这些特性特别适合性能较高的单反相机,因此目前市场中常见的单反数码相机几乎都采用了CMOS传感器。这些装备了CMOS传感器的数码相机甚至具备了拍摄全高清(FullHD)视频的能力,这是使用CCD的数码相机目前无法做到的。

CMOS另一个优势就是非常省电,只有普通CCD的1/3左右。虽然CMOS元件在低感光度下的表现比CCD差,特别是在小尺寸的家用消费类相机成像元件上,由于像素面积小,这个缺陷就更为明显。

但背照式CMOS(backsideilluminatedCMOS)传感器的出现,解决了这一问题。

目前的态势是:CMOS已经占据了可更换镜头的高端数码相机市场,并借助背照式CMOS杀入消费类数码相机市场。

莱卡相机

目前在数码相机领域,目前只有莱卡公司的多款数码产品以及一些中画幅数码相机或数码后背仍然在使用CCD传感器,这是因为不同产品对画质有着不同的要求,所以那些中画幅的数码产品也的价格也往往会高出普通数码相机许多。

数码摄像机领域

数码摄像机

首先,我们先了解一下CCD摄像机的工作方式:被摄物体的图像经过镜头聚焦至CCD芯片上,CCD根据光的强弱积累相应比例的电荷,各个像素积累的电荷在视频时序的控制下,逐点外移,经滤波、放大处理后,形成视频信号输出。

频信号连接到监视器或电视机的视频输入端便可以看到与原始图像相同的视频图像。CCD在工作时,上百万个像素感光后会生成上百万个电荷,所有的电荷全部经过一个“放大器”进行电压转变,形成电子信号,因此,这个“放大器”就成为了一个制约图像处理速度的“瓶颈”,所有电荷由单一通道输出,就像千军万马从一座桥上通过,当数据量大的时候就发生信号“拥堵”,而HDV格式却恰恰需要在短时间内处理大量数据,因此,在民用级产品中使用单CCD无法满足高速读取高清数据的需要。

CCD器件由硅材料制成,对近红外比较敏感,光谱响应可延伸至1.0um左右。夜间隐蔽监视时,可以用近红外灯照明,人眼看不清环境情况,在监视器上却可以清晰成像。但是CCD传感器表面有一层吸收紫外的透明电极,所以CCD对紫外不敏感。

CMOS在工作时,每个像素点都有一个单独的放大器转换输出,因此CMOS没有CCD的“瓶颈”问题,能够在短时间内处理大量数据,输出高清影像,因此也能都满足HDV(高清数码摄像机)的需求。

另外,CMOS工作所需要的电压比CCD低很多,功耗大约只有CCD的1/3。因此,电池尺寸可以做得更小,使得摄像机的体积也就做得更小。而且,每个CMOS都有单独的数据处理能力,这也大大减少的集成电路的体积,这也让高清数码摄像机得以实现小型化。

另外, CCD传感器通常能看到照度是0.1~3Lux,CMOS传感器的感光度一般在6到15Lux的范围内,CCD是CMOS传感器感光度的3到10倍,且CMOS传感器有固定比CCD传感器高10倍的噪音,固定的图案噪音始终停留在屏幕上好像那就是一个图案。因此在早期,大量应用的所有摄像机都是用了CCD传感器,CMOS传感器一般用于低端的家庭安全方面。

但是,也有例外,就CMOS传感器可以做得非常大并有和CCD传感器同样的感光度,CMOS传感器非常快速,比CCD传感器要快10到100倍,因此非常适用于特殊应用如HDV(高清数码摄像机)或者高帧摄像机。

CMOS传感器可以将所有逻辑和控制环都放在同一个硅芯片块上,可以使摄像机变得简单并易于携带,因此CMOS摄像机可以做得非常小。

随着CMOS在制造工艺和影像处理技术上的不断突破, CMOS的前景也越来越乐观。高清数字影像的普及更是CMOS技术发展的一个难得机遇。

而且,与CCD相比,CMOS的制造原理更加简单,体积更小,功耗可以大大的降低。种种迹像表明:尽管从目前的状况看,CMOS与CCD图像传感器的应用市场仍然有一个分界,但这个界限已经越来越模糊。

在选择CCD摄像机还是CMOS摄像机时,目前一般遵循以下原则:

一、低照度环境下宜使用CCD摄像机

由于CCD感光单元有效面积大,在光照强度较低的环境中,能相对清晰地呈现出被摄物体原貌。相反,CMOS传感器灵敏度低,ISO感光度差,低照时成像清晰度大大降低。所以,在低照度环境下,如灯光较暗的停车场、楼梯间、封闭通道和暗室等,宜选用感光灵敏的CCD摄像机。

二、隐蔽环境中使用CMOS摄像机

CMOS传感器可以将所有逻辑和控制环都放在同一个硅芯片块上,使摄像机变得简单灵巧,因此CMOS摄像机可以做得非常小。而CCD摄像机限于外围复杂电路影响,体积无法做到CMOS般微型化。对于道路、门口等摄像机易受不法分子攻击破坏的场合,选用CMOS摄像机能达到隐蔽执法、避免攻击的作用。

三、图像质量要求高的场合选用CCD摄像机

CCD结构中由于每行仅有一个ADC,信号放大比例一致,所以图像还原真实自然、噪点低,在对画质要求苛刻的场合宜选用CCD摄像机。

四、高帧摄像时选用CMOS摄像机更佳

前面提到过,CCD传感器在数据处理方面存在“瓶颈”。而 CMOS传感器不需要复杂的处理过程,直接将图像半导体产生的光电信号转变成数字信号,因此处理非常快。这个优点使得CMOS传感器对于高帧摄像机非常有用,速度能达到400到2000帧/秒。所以对于高速摄像场所,选用CMOS摄像机效果更佳。

手机及汽车安防领域

手机CMOS传感器

行车记录仪

我们知道相比于CCD传感器,CMOS传感器在功耗、体积及制造成本方面有着不可比拟的优势,而这些正在生产厂家在大规模市场应用中绝对不可忽视的因素。得益于智能手机、汽车行驶记录仪及网络监控市场近几年的高速增长,CMOS传感器在资金、技术投入方面获得了巨大支持。

据估测,受手机市场和汽车市场的推动,CMOS图像传感器市场从2014年开始,至2020年间的年均增长率将保持在10.6%左右,到2020年,市场规模预计将达到162亿美元。

CMOS市场蓝图

为了实现低能耗和小型组件的高度集成,CMOS设计师开始关注开发手机成像器——世界上规模最大的成像器应用。大量资金投入到开发和微调CMOS成像器及其生产工艺方面。正因为此,CMOS成像器的图像质量即使在像素尺寸收缩的情况下仍然大为改善。

CCD成像质量好,但是制造工艺复杂,能够生产的厂家也比较少,价格也相对来说比较高,并且功耗也很高,因此,不适合在移动设备上使用。而CMOS传感器耗电低,但是画质水平比不上CCD,不过随着技术的提高,COMS的画质已经逐步赶上了CCD,另外,在相同分辨率下,CMOS价格比CCD便宜,所以目前市面上的手机摄像头都采用CMOS传感器。

通常CMOS传感器又会分为:背照式CMOS传感器和堆栈式CMOS传感器。

背照式CMOS传感器

堆栈式CMOS

所谓背照式CMOS传感器其实是与传统正照式CMOS传感器相对的。简单来说就是将光电二极管和布线层进行对调,从而让光线首先进入感光电二极管,从而增大感光量,显著提高低光照条件下的拍摄效果。像我们所熟知的iPhon、小米、魅族都是搭载的这类传感器。

而堆栈式CMOS传感器则是背照式CMOS传感器的衍生产物,它是目前手机摄像头中应用最广泛的一种,也是最先进的一种,属于索尼的独家技术。

堆栈式CMOS传感器使用有信号处理电路的芯片替代了原来背照CMOS图像传感器的支持基板,在芯片上重叠形成背照CMOS元件的像素部分,从而实现了在较小的芯片尺寸上形成大量像素点的工艺。由于像素部分和电路部分分别独立,因此像素部分可针对高画质优化,电路部分可针对高性能优化。

需要说明的是感光元件只是手机类摄像头组成中不可或缺的一部分,但不是成像质量的决定性因素,这其中还包括厂商通过软件对硬件的优化调校,使其让人感觉最好的效果,这也是目前各家厂商在手机摄像画质方面效果差异最大的决定性因素之一。

手机摄像头

航天、医学以及专业定制领域

看了上面的内容,可能容易让人造成一种错觉,是不是经过这么多年的发展,CCD传感器真的已经被CMOS传感器全面超越了呢?其实不然。

自从1610年伽利略将他的望远镜对向遥远的天空,世界上还没有任何一个事件有如“哈勃”空间望远镜如此巨大地改变了人类对宇宙的认识。

航天摄像

1990年美国国家航空航天局采用CCD数字成像技术,将有史以来最大最精确的“哈勃”空间望远镜送上了太空轨道。从1.6万公里以外的萤火虫,到相距130亿光年的古老星系,她成功的创造了一个个空间观测奇迹,包括发现黑洞存在的证据,探测到恒星和星系的早期形成过程。

这就是我们都熟知的哈勃空间望远镜中的CCD应用。用一幅图,就足以证明CCD的伟大。

哈勃星云

2011年7月,欧空局为新卫星配十亿像素数码相机。其使用106块独立的电子探测器件合成了世界上有史以来为太空计划建造过的最大像素数码相机。

这台被称作“十亿像素阵列”的相机安装在欧洲空间局发射的“盖亚”探测器上,成为它超灵敏的眼睛。为了探测到比肉眼可见暗数百万倍的恒星,盖亚探测器需要配备超高灵敏度的相机。这台相机就是由106个CCD(电子耦合器件)制作而成的。

欧空局卫星

中国首颗绕月人造卫星嫦娥一号,资源一号卫星、嫦娥二号、海洋一号等众多航天探测器也都是使用CCD作为超高灵敏度的相机核心部件。这足以说明CCD在太空影像的核心地位。

CCD不仅是超高清成像设备部件,同样有着极强的耐用性。太空的环境与地球环境相比,不用多言,太空已成为高寒的环境,平均温度为零下270.3℃。

在太空中,各种天体也向外辐射电磁波,许多天体还向外辐射高能粒子,形成宇宙射线。如太阳有太阳电磁辐射,太阳宇宙线辐射和太阳风。相机作为获取太空影像信息的核心部件,其在太空环境下的寿命至关重要的。而CCD探测器长达几十年的

设计寿命,完美的满足了高清和耐用两个刚性指标。

CCD探测器在航天航空领域不断的发展,同样的,其在医用领域,CCD也是最常用的图像传感器。近年来,CCD探测器更是突破材料极限,采用新的设计思路,使得CCD探测器能够输出大幅面动态影像,在医学临床诊断上有里程碑式的意义。医用CCD技术,与航天航空CCD技术一脉相承,可以说,有着非常过硬的质量和广泛的应用前景。

Medical医用显微内窥镜。利用超小型的CCD摄像机或光纤图像传输内窥镜系统,可以实现人体显微手术,减小手术刀口的尺寸,减小伤口感染的可能性,减轻病人的痛苦。同时还可进行实时远程会诊和现场教学。

实际上,直到现在,CCD探测器在医学、航天、航空、遥感模块转换图像帧获取、卫星侦察、天文观测、通讯、交通、机械、钢铁、电子、计算机、机器人视觉、新闻、广播、电影、电视、金融、出版、印刷、纺织、食品、照相、文教、公安、保卫、家电、旅游等各个领域一直都有非常强劲和深入的发展。

另外,无论是CMOS或是CCD,市场在售的图像传感器的价格比全定制图像传感器要低得多。如果非要定制,除非变化很小,那么定制CCD成像器的价格一般低于定制CMOS的价格。

由于CMOS成像器采用的深亚微米掩膜价格较高,因此CMOS成像器的研发价格也相应地高于CCD成像器。此外,CMOS设备需要设计的电路也更多。因此,即使定制CMOS成像器的应用性能较好,但是考虑到价格因素,客户仍然更加亲睐定制CCD成像器。

总结

多年以前,当CMOS这种传感器还并没有完全被广泛应用的时候,CCD牢牢占据着当时大部分数码相机最核心的位置。

随着科技的发展,技术的不断提高,CMOS作为后起之秀已经逐渐在取代前者CCD的地位并且不断的自我改良。优胜劣汰,这是自然中所有行业都要遵循的法则。

将来,在照相机市场的主要发展方向任然会是以CMOS作为核心,并在这个基础上不断提高CMOS的分辨率以及灵敏度等等。

时代在进步,节约成本是每个商家都在坚持的经商法则,CCD的未来不一定在相机市场里,在其他领域,CCD也会凭借着自身的优势而被广泛的使用。

科技不断发展,一定会有更多种类的传感器出现,这也只是时间的问题,到那时我们回望过去,看看我们曾经经历过的胶片时代、CCD时代和CMOS时代,一定会由衷的感叹科技日新月异的飞速发展。

 
 
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