ＣＭＯＳ圖像傳感器

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【論文關鍵詞】：圖像傳感器：數碼相機；圖像采集

【論文摘要】：圖像傳感器產品就成為當前以及未來業界關注的對象，吸引著眾多廠商投入。以產品類別區分，圖像傳感器產品主要分為CCD、CMOS以及CIS傳感器三種。文章主要概述了CMOS圖像傳感器的工作原理和優勢，介紹了現階段傳感器的技術和產業發展現狀。

圖像傳感器屬于光電產業里的光電元件類，隨著數碼技術、半導體制造技術以及網絡的迅速發展，目前市場和業界都面臨著跨越各平臺的視訊、影音、通訊大整合時代的到來，勾劃著未來人類的日常生活的美景。以其在日常生活中的應用，無疑要屬數碼相機產品，其發展速度可以用日新月異來形容。短短的幾年，數碼相機就由幾十萬像素，發展到400、500萬像素甚至更高。不僅在發達的歐美國家，數碼相機已經占有很大的市場，就是在發展中的中國，數碼相機的市場也在以驚人的速度在增長，因此，其關鍵零部件--圖像傳感器產品就成為當前以及未來業界關注的對象，吸引著眾多廠商投入。以產品類別區分，圖像傳感器產品主要分為CCD、CMOS以及CIS傳感器三種。文章將主要簡介CMOS傳感器的技術和產業發展現狀。

1.CMOS圖像傳感器

CMOS圖像傳感器于80年明以來，由于當時CMOS工藝制程的技術不高，以致于傳感器在應用中的雜訊較大，商品化進程一直較慢。時至今日，CMOS傳感器的應用范圍也開始非常的廣泛，包括數碼相機、PCCamera、影像電話、第三代手機、視訊會議、智能型保全系統、汽車倒車雷達、玩具，以及工業、醫療等用途。在低檔產品方面，其畫質質量已接近低檔CCD的解析度，相關業者希望用CMOS器件取代CCD的努力正在逐漸明朗。CMOS傳感器有可細分為：被動式像素傳感器CMOS與主動式像素傳感器CMOS。

CMOS圖像傳感器是多媒體產品中不可或缺的重要器件之一，也是數碼相機、監控設備、圖像采集設備中的核心器件。CMOS的全稱是ComplementaryMetal-OxideSemiconductor，有"互補金屬氧化物半導體"的意思。隨著數碼相機、手機相機的興起以及對圖像質量要求的不斷提高，更加突顯了圖像傳感器的重要作用。

2.CMOS圖像傳感器的工作原理

CMOS采用感光元件作為影像捕獲的基本手段，感光元件的核心都是一個感光二極管，該二極管在接受光線照射之后能夠產生輸出電流，而電流的強度則與光照的強度對應但在周邊組成上。CMOS感光元件的構成就比較復雜，除處于核心地位的感光二極管之外，它還包括放大器與模數轉換電路，每個像點的構成為一個感光二極管和三顆晶體管，而感光二極管占據的面積只是整個元件的一小部分，造成CMOS傳感器的開口率遠低（開口率：有效感光區域與整個感光元件的面積比值）；這樣CMOS感光元件所能捕捉到的光信號明顯小于，靈敏度較低；體現在輸出結果上，就是CMOS傳感器捕捉到的圖像內容不太豐富，圖像細節丟失情況嚴重且噪聲明顯，這也是早期CMOS傳感器只能用于低端場合的一大原因。CMOS開口率低造成的另一個麻煩在于，隨著它的像素點密度的提高，感光元件的比重面積將因此縮小，而CMOS開口率太低，有效感光區域小得可憐，圖像細節丟失情況會愈為嚴重。這也是CMOS長期以來都未能進入主流數碼相機市場的重要原因之一。

3.CMOS圖像傳感器的優勢

CCD和CMOS在制造上的主要區別是CCD是集成在半導體單晶材料上，而CMOS是集成在被稱做金屬氧化物的半導體材料上，工作原理沒有本質的區別。CCD只有少數幾個廠商例如索尼、松下等掌握這種技術。而且CCD制造工藝較復雜，采用CCD的攝像頭價格都會相對比較貴。事實上經過技術改造，目前CCD和CMOS的實際效果的差距已經減小了不少。

⑴與CCD相比，CMOS具有體積小，耗電量不到CCD的1/10，售價也比CCD便宜1/3的優點。

⑵與CCD產品相比，CMOS是標準工藝制程，可利用現有的半導體設備，不需額外的投資設備，且品質可隨著半導體技術的提升而進步。同時，全球晶圓廠的CMOS生產線較多，日后量產時也有利于成本的降低。

⑶CMOS傳感器具有高度系統整合的條件。理論上，所有圖像傳感器所需的功能，例如垂直位移、水平位移暫存器、時序控制、CDS、ADC…等，都可放在集成在一顆晶片上，甚至于所有的晶片包括后端晶片、快閃記憶體等也可整合成單晶片，以達到降低整機生產成本的目的。

4.高速圖像傳感器的市場趨勢

目前，CMOS是高速成像所青睞的技術。在當前市場中，我們可以發現高速圖像傳感器有三大發展趨勢，一是向極高速方向發展，二是向片上特性集成方向發展，三是向通用高速圖像傳感器方向發展。高速成像領域還有另一種趨勢，就是把高速ADC、時序發生器、LVDS發射器和校正算法的片上集成趨勢。這種圖像傳感器通常在速度和靈敏度方面不如上述圖像傳感器，但在易用性和系統集成功能方面頗有長處。目前市場上新興的第三種圖像傳感器就是通用高速圖像傳感器。具有模擬輸出或不具有時序發生器功能的老式(簡單式)通用圖像傳感器正在被速度更快、更復雜的圖像傳感器所取代。這種新型圖像傳感器使我們能在較短時間內就設計出通用高速攝像頭。

從產品的技術發展趨勢看，，體積小型化及高像素化仍是業界積極研發的目標。因為像素大則圖像產品的分辨率越高，清晰度越好，體積越小，其應用面更廣泛。

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