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微博热点 · 2019-05-05

CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor),中文学名为互补金属氧化物半导体,它本是计算机体系内一种重要的芯片,保存了体系引导最基本的材料。CMOS的制造技能和一般计算机芯片没什么不同,首要是运用硅和锗这两种元素所做成的半导体,使其在CMOS上共存着带N(带-电) 和 P(带+电)级的半导体,这两个互补效应所发作的电流即可被处理芯片纪录宽和读成印象。后来发现CMOS经过加工也能够作为数码拍照中的图画传感器,CMOS传感器也可细分为被动式像素传感器(Passive Pixel Sensor CMOS)与自动式像素传感器(AcTIve Pixel Sensor CMOS)

CMOS传感器介绍

当今的CMOS图画转化技能不只服务于“传统的”工业图画处理,并且还凭仗其杰出的功用和灵敏性而被日益广泛的新颖消费运用所接收。此外,它还能确保轿车驾驭时的高安全性和舒适性。开端,CMOS图画传感器被运用于工业图画处理;在那些旨在前进出产率、质量和出产工艺经济性的全新自动化解决方案中,它至今依然是至关重要的一环。

据商场研讨公司IMS Research的猜测,在未来的几年中,欧洲工业图画处理商场的年生长率将到达6%,其间,在相机中集成了软件功用的智能型解决方案的商场份额将不断扩展。在德国,据其全国东西机供货商协会VDMA供给的数据,2004年的图画处理商场添加率到达了14%。商场调研公司In-Stat/MDR亦指出,单就图画传感器的次级商场而言,其年生长率将高达30%以上,并且这种状况将持续到2008年。最为重要的是:CMOS传感器的生长速度将到达CCD传感器的七倍,照相手机和数码相机的敏捷遍及是这种需求的首要推进要素。

显着,人们如此看好CMOS图画转化器的生长远景是根据这样一个现实,即:与独占该范畴长达30多年的CCD技能比较,它能够更好地满意用户对各种运用中新式图画传感器不断前进的质量要求,如愈加灵敏的图画捕获、更高的灵敏度、更宽的动态规模、更高的分辨率、更低的功耗以及愈加优秀的体系集成等。此外,CMOS图画转化器还造就了一些迄今为止尚不能以经济的办法来完成的新颖运用。别的,还有一些有利于CMOS传感器的“软”规范在起作用,包含:运用支撑、抗辐射性、快门类型、开窗口和光谱覆盖率等。不过,这种差异稍带几分恣意性,因为这些规范的重要程度将因为运用的不同(消费、工业或轿车)而发作改变。


CMOS传感器

细节体现中所面对的难题

就像咱们从模仿拍照所获悉的那样,拍照一幅完好场景的相片是一件适当一般的作业,照相手机相同如此。可是,关于工业或轿车运用来说,状况就大不一样了:有些场吞并不需求很高的全帧数据速率。比方,在监控摄像机中,只需能够发现一幅场景中呈现的改变(因为这种改变或许预示着某种可疑状况),那么分辨率低一点也是完全能够承受的。在此根底之上才需求凭仗全分辨率来收集更多的细节信息。跟着发作的lol半价,CMOS传感器,李洪志动作将只在摄像机视场的某一部分傍边进行播映,并且,在所捕获的场景中,只需这一部分才是监控人员所重视的。

关于只供给全帧图画的CCD图画传感器而言,只需选用一个别离的评价电路才能够供给两个观测视点,这意味着处理时刻和本钱的添加。可是,CMOS图画传感器的作业原理则与RAM相似,一切的存储位均可独自读出。CMOS传感器的二次采样尽管供给了较低的分辨率,可是帧速率较高;而开窗口则答应随机挑选一块感兴趣的区域。

CMOS传感器优势

最新CMOS传感器取得广泛运用的一个条件是其所具有的较高灵敏度、较短曝光时刻和日渐缩小的像素规范。像素灵敏度的一个衡量规范是填充因子(感光面积与整个像素面积之比)与量子功率(由炮击屏幕的光子所生成的电子的数量)的乘积。CCD传感器因其技能的固有特性而具有一个很大的填充因子。而在CMOS图画传感器中,为了完成堪与CCD转化器相媲美的噪声方针和灵敏度水平,人们给CMOS图画传感器安装上了有源像素传感器(APS),并且导致填充因子下降,原因是像素外表适当大的一部分面积被扩大器晶体管所占用,留给光电二极管的可用空间较小。所以,当今CMOS传感器的一个重要的开发方针就是扩展填充因子。赛普拉斯(FillFactory)经过其取得专利授权的一项技能,能够大幅度地前进填充因子,这种技能能够把一颗规范CMOS硅芯片最大的一部分面积变为一块感光区域。

别的,关于一个典型的工业用图象传感器而言,因为许多场景的拍照都是九劫苍龙帝在照明条件很差的状况下进行的,因而具有较大的动态规模将是十分有利的。CMOS3d工口图画传感器经过多斜率操作完成了这一方针:转化曲线由倾度不同的直线部分所组成,它们一起形成了一个非线性特征曲线。因而,一幅场景的漆黑部分有或许占有集成模仿-数字转化器转化规模的很大一部分:转化特征曲线在这里最为峻峭,以完成高灵敏度和对比度。特征曲线上半部分的平坦化将在图画的亮堂部分捕获几个数量级的过度曝光,并以一个愈加详尽的标度来体现它们。选用多斜率的办法来运作LUPA-4000将使高达90dB的光动态规模与一个10位A/D转化规模相匹配。

具有VGA分辨率的IM-001系列CMOS图画传感器在此根底上更进一步;pupupula它们是专为轿车运用而规划的。其像素由光电二极管组成,可供给高达120dB的自适应动态规模。面向轿车运用的ACM 100相机模块就选用了这些传感器,这种相机模块据称是同类产品中首先面市的全集成化相机解决方案:该视觉解决方案被看作是面向驾驭者维护、防撞、夜视支撑和轮胎盯梢导向的未来轿车安全体系的要害元件。

此外,关于独立于电网的便携式运用而言,以低功耗特性而著称的CMOS技能还具有一个显着的优势:CMOS图画传感器是针对5V和3.3V电源电压而规划的。而CCD芯片则需求大约12V的电源电压,因而不得不选用一个电压转化器,然后导致功耗添加。在总功耗方面,把操控和体系功用集成到CMOS传感器中将带来另一个优点:它去除了与其他半导体元件的一切外部连接线。其高功耗的驱动器现在已遭弃用,这是因为在芯片内部进行通讯所耗费的能量要比经过PCB或衬底的外部完成办法低得多。

扩展光谱灵敏度和前进分辨率是大趋势

在现代CMOS图画传感器中,一个重要的开展趋势是其光谱灵敏度扩展到了近红外区NIR(至约1,100nm的波长)。装备了IM-001 CMOS图画传感器的轿车运用将改进雾穿透力和夜视才能。因为工业图画捕获技能开端运用更多波长坐落NIR之中的光源,并且生物技能也在运用该光谱区域中的风趣现象,因而,新开发的IBIS 5-AE-1300传感器具有700~900nm的NIR灵敏度。

在面向消费运用的图画捕获技能中,另一个开展趋势是持续前进分辨率。到2005年年中,70%左右的手机相机已具有VGA格局分辨率(640&TImes;480像素);但随后的2006年,几百万像素的传感器就将占有50%的商场份额,而到2008年,其商场占有率估计将进一步攀升至90%以上。为此,赛普拉斯公司开发了一种用于蜂窝电话的300万像素图画传感器,该产品选用了Autobrite技能,可进行12位模仿/数字转化,并供给了72dB的广大动态规模,而现在市面上的10位模仿/数字转化器的动态规模仅为60dB。逐行扫描形式中的帧速率高达30帧/秒,因而可录制实况视频节目。

在工业和商业范畴中,这种开展趋势也很显着:赛普拉斯已推出一款用于Kodak数码相机的1,300万像素/35mm图画传感器,别的,660万像素的IBIS 4-6600传感器正在一种面向弱视人群的自动阅览辅佐设备中证明自己的杰出质量--它可在一幅完好的规范A4页面上供给超卓的分辨率。

凭仗技能完成体系集成 因为蜂窝电话、数码相机、MP3播映机和PDA等传统别离型功用设备的加快数字交融(即成为一部紧凑的消费型电子产品),导致人们越来越期望至少具有部分自主性的子体系能够在一部设备中供给极为广泛的功用。这种趋势还将lol半价,CMOS传感器,李洪志对专业丈量技能发作影响:运用包含一个数码相机、PDA用户接口和WLAN联网才能的便携式查验东西,光测验和监督的运用规模将得到有用的拓宽。作为一种渠道技能,CMOS契合这一开展潮流:CCD图画转化器依然需求选用外部逻辑电路来完成操控和模仿/数字转化功用,而CMOS规范逻辑器材则能够把传感器、操控器、转化器和评价逻辑电路等悉数集成到一块芯片之中。

一个典型的比如如专门针对要求严苛的消费运用而制造的CYIWCSC1300AA芯片的图画捕获电路。它根据130万像素图画传感器CYIWOSC1300AA 和一个用于供给差错插补、黑电平调整、透镜校对、信号互串校对、五颜六色马赛克修补、五颜六色校对、自动曝光、噪声按捺、特效和校对等等许多功用的附加信号处理器。集成更多的体系功用(一直到自lol半价,CMOS传感器,李洪志主型光电传感器体系)妖界大文豪是可行的,这首要取决阴阳草之变身于比如商场容量和开发本钱等经济方针和约束要素。

IMS Research公司的资深商场分析家John Morse指出:“工业图画处理商场的改变十分快,不光是在技能层面上,并且还触及近期发作的制造商吞并事情。咱们以为这种趋势还将持续下去。”果真如此,那么这相同适用于赛普拉斯公司:经过收买MIT(美国麻省理工学院)于1999年建立的SMal Camera Technologies公司,赛普拉斯已将其事务触角延伸到了消费和轿车范畴;而吞并FillFactory(这是一家于1999年从总部坐落比利时Leuven的闻名欧洲微电子和纳米技能研讨中心IMEC抽资脱离而成的公司)则使赛普拉斯进一步跻身工业范畴。

CMOS图画传感器商场正在蓬勃开展之中,行将成为一个大规模商场。它在很大程度上依然依靠于客户专用规划来满意规范和体系集成方面的一组定制要求。不过,它将越来越多地供给通用的规范解决方案。分辨率、帧速率和灵敏度的前进以及lol半价,CMOS传感器,李洪志本钱的下降正使其运用范畴不断地扩展。要的一环。

像素结构

CMOS传感器按为像素结构分被动式与自动式两种。

被动式像素结构

被动式像素结构(Passive Pixel Sensor.简称PPS),又名无源式。它由一个反向偏置的光敏二极管和一炖肉大锅菜的著作个开关管构成。光敏二极管本质上帅哥撒尿是一个由P型半导体和N型半导体组成sjyp官网的PN结,它可等效为一个反向偏置的二极管和一个MOS电容并联。当开关管敞开时,光敏二极管与笔直的列线(Column bus)连通。坐落列线结尾的电荷积分扩大器读出电路(Charge integraTIng amplifier)坚持列线电压为一常数,当光敏二极管存贮的信号电荷被读出时,其电压被复位到列线电压水平,与此一起,与光信号成正lol半价,CMOS传感器,李洪志比的电荷由电荷积分扩大器转化为电荷输出。

自动式像素结构

自动式像素结构(AcTIve Pixel Sensor.简称APS),又名有源式,如图2所示。 几乎在CMOS PPS像素结构创造的一起,人们很快认识到在像素内引进缓冲器或扩大器能够改进像素的功用,在CMOS APS中每一像素内都有自己的扩大器。集成在外表的扩大晶体管减少了像素元件的有用外表积,下降了“封装密度”,使40%~50%的入射光被反射。这种传感器的另一个问题是,怎么使传感器的多通道扩大器之间有较好的匹配,这能够经过下降剩余水平的固定图形噪声较好地完成。因为CMOS APS像素内的每个扩大器仅在此读出期间被激起,所以CMOS APS的功耗比CCD图画传感器的还小。

填充因数与量子功率

这填充因数(Fill Factor),又名充溢因数,它指像素上的光电二极管相关于像素外表的巨细。量子功率(Quantun efficiency)是指一个像素被王立群读史记全集目录光子碰击后实践和理论最大值电子数的归一化值。被动式像素结构的电荷填充因数一般可到达70%,因而量子功率高。但光电二极管堆集的电荷一般很小,很易遭到杂波搅扰。再说像素内部又没有信号扩大器,只依靠笔直总线终端扩大器,因而读出的信号杂波很大,其S/N比低,更因不同方位的像素杂波巨细不一样(固定图形噪波FPN)而影响整个图画的质量。而自动性像素结构与被动式比较,它在每个像素处添加了一个扩大器,能够将光电二极管堆集的电荷转化成电压进行扩大,大大前进了S/N比,然后前进了传输过程中抗搅扰的才能。但因为扩大器占有了过多的像素面积,因而它的填充因数相对较低,一般在25%-35%之间。

CMOS与CCD的差异

CCD与CMOS传感器是被遍及选用的两种图画传感器,两者都是运用感光二极管(photodiode)进行光电转化,将图画转化为数字数据,而其首要差异appeyes是数字数据传送的办法不同。

CCD传感器中每一行中每一个象素的电荷数据都会顺次传送到下一个象素中,由最底端部分输出,再经由传感器边际的扩大器进行扩大输出;而在CMOS传感器中,每个象素都会邻接一个扩大器及A/D转化电路,用相似内存电路的办法将数据输出。

形成这种差异的原因在于:CCD的特别工艺可确保数据在传送时不会失真,因而各个象素的数据可会聚至边际再进行扩大处理;而CMOS工艺的数据在传送间隔较长时会发作噪声,因而,必须先扩大,再整合各个象素的数据。

因为数据传送办法不同,因而CCD与CMOS传感器在效能与运用上也有许多差异,这些差异包含:

1. 灵敏度差异:

因为CMOS传感器的每个象素由四个晶体管与一个感光二极管构成(含扩大器与A/D转化电路),使得每个象素的感光区域远小于象素自身的外表积,因而在象素规范相同的状况下,CMOS传感器的灵敏度要低于CCD传感器。

2. 本钱差异:

因为CMOS传感器选用一般半导体电路最常用的CMOS工艺,能够轻易地将周边电路(如AGC、CDS、Timing generator、或DSP等)集成到传感器芯片中,因而能够节约外围芯片的本钱;除此之外,因为CCD选用电荷传递的办法传送数据,只需其间有一个象素不能运转,就会导致一整排的数据不能传送,因而lol半价,CMOS传感器,李洪志操控CCD传感器的成品率比CMOS传感器困难许多,即便有经历的厂商也很难在产品面世的半年内打破50%的水平,因而,CCD传感器的本钱会高于CMOS传感器。

3. 分辨率差异:

CMOS传感器的每个象素都比CCD传感器杂乱,其象素规范很难到达CCD传感器的水平,因而,当比较相同规范的CCD与CMOS传感器时,CCD传感器的分辨率一般会优于CMOS传感器的水平。例如,市面上CMOS传感器最高可到达210万象素的水平(OmniVision的 OV2610,2002年6月推出),其规范为1/2英寸,象素规范为4.25m,但Sony在2002年12月推出了ICX452,其规范与 OV2610相差不多(1/1.8英寸),但分辨率却能高达513万象素,象素规范也只需2.78mm的水平。[1]

 4. 噪声差异:

因为CMOS传感器的每个感光二极管都需调配一个扩大器,而扩大器归于模仿电路,很难让每个扩大器所得到的成果坚持一致,因而与只需一个扩大器放在芯片边际的CCD传感器比较,CMOS传感器的噪声就会添加许多,影响图画质量。[1]

5. 功耗差异:

CMOS传感器的图画收集办法为自动式,感光二极管所发作的电荷会直接由晶体管扩大同房姿态输出,但CCD传感器为被动式收集,需外加电压让每个象素中的电荷移动,而此外加电压一般需求到达童颜巨12~18V;因而,CCD传感器除了在电源办理电路规划上的难度更高之外(需外加 power IC),高驱动电压更使其功耗远高于CMOS传感器的水平。举例来说,OmniVision推出的OV7640(1/4英寸、VGA),在 30 fps的速度下运转,功耗仅为40mW;而致力于低功耗CCD传感器的Sanyo公司推出的1/7英寸、CIF等级的产品,其功耗却仍坚持在90mW 以上。因而CCD发热量比CMOS大,不能长时刻在阳光下作业。[1]

综上所述,CCD传感器在灵敏度、分辨率、噪声操控等方面都优于CMOS传感器,而CMOS传感器则具有低本钱、低功耗、以及高整合度的特征。不过,跟着CCD与CMOS传感器技能的前进,两者的差异有逐步缩小的态势,例如,CCD传感器一直在功耗上作改进,以运用于移动通讯商场(这方面的代表业者为Sanyo);CMOS传感器则在改进分辨率与灵敏度方面的缺乏,以运用于更高端的图画产品。

首要CMOS厂商

投入CMOS研制、出产的厂商较多,美国有30多家,欧洲7家,日本约8家,韩国1家,台湾有8家。而居全球俊彦位置的厂商是Agilent(HP),其商场占有率51%、ST(VLSI Vision)占16%、Omni Vision占13%、现代占8%、Photobit约占5%,这五家算计市占率达93%。

Sony

Sony是全球CCD传感器榜首大厂,也是榜首家投入12英寸晶圆、推出600万象素CCD的公司,Sony约有30~40%的CCD传感器供自有品牌产品运用,其它则卖岱嵩村给Canon、Sanyo、Casio、以及台湾的新虹、普利尔、诠讯(与台湾佳能吞并)等厂商。

Sony的产品技能蓝图显现,2003年除了800万象素的ICX 456外,并无其它微缩工艺的产品面世。产品规范将大致坚持现有水平,取而代之的是强化拍照功用与支撑progressive scan(接连式扫描),例如500万象素的ICX455无痛起床法/465、330万象素的ICX451/481、以及210万象素的ICX461等,令高端产品也能到达30fps以上的数据传送速率。

高端产品我的教师璐君的友妻大部分商场仍被Sony占有,再加上商场仍处于求过于供的局势,公司并未急于做下降本钱的动作,不过,一旦Sony最先进的工艺(象素规范2.6~2.8mm)到达老练阶段(成品率超越50%),该公司必然近一步将此工艺运用到其它产品上(现在仍只需1/1.8英寸、 500万象素产品运用此工艺),到时或许会有1/2.7英寸、400万象素产品面世。

OmniVision

OmniVision建立于1995年(以下简称OV),2002年6月抢先其它同业首先推出210万象素的OV2610震动商场,尽管现在选用此传感器量产的产品并不多,但这已阐明CMOS传感器能够开端进入本来归于CCD传感器的中高端数码相机商场; OV的数据显现,现在已有天瀚、明、鸿友等台湾商家开端选用该公司的OV2610。展望2003年,OV将在1季度~2季度之间推出330万象素、1/2英寸的产品,采TSMC 0.18mm工艺出产,再次拓宽CMOS传感器的运用规模。在移动电话商场上,CMOS模组的摄相模块已经成为移动通讯运用的最大量产品。

在低功耗产品方面,OV也在2002年12峦瞥隽薕V7640,能够在2.5V的环境下运转,为现在VGA产品中功耗最低的芯片。而在2003 年新规划的产品方面,OV方案鄙人半年推出130万象素、1/4英寸,以及VGA、1/7英寸的产品,期望在CCD厂家推出低功耗的130万素产品之前,先行抢占商场先机。

Agilent

Agilent首要的产品为第二代的CIF(352*288)HDCS-1020和第二代的VGA(640*480)HDCS-2020,首要运用在数码相机 、举动电话、PDA、PC Camera等新式的资讯家电产品之中,此外Agilent在2000年另一成功战略是和Logitech与Microsoft这两家公司战略联盟,打入了光学鼠标产品范畴,可是这是十分低阶的CMOS产品,并且不是为了捕捉印象 ,所以在做印象感测器的全球统计时并未将此数量一起参加,可是此举可看出Agilent以CMOS技能为根底进军光学元件的规划目的。

Photobit

Photobit在2000年取得较大成功。2001年Photobit首先研制出PB-0330产品型号的CMOS图画传感器,此产品特征具有单一晶片逻辑转数位的变频器,它是第二代1/4寸的VGA(640 x 480),一起也推出PB-0111产品型号的CMOS印象感测器,是第二代1/5寸的CIF(352 x 288)。Photobit推出这两种产品首要针对数码相机和PC Camera这些近年来蓬勃开展的数位化产品,和OmniVision CIF(352 x 288)定位在举动电话商场上有所区隔,其推出CIF(352 x 288)和VGA(6素秋园40 x 480)这两种不同解析程度的印象感测器,行销规模目的含盖低阶和中高阶商场。

其它公司

最具特征的是Sanyo,该公司致力于改进CCD 传感器的功耗,以相机电话为首要运用方针,之前J-Phone首先推出的Sharp J-SHxx系列就是选用Sanyo的CIF级CCD传感器,Sharp、Toshiba等手机厂家也方案在02年4季度~03年1季度之间连续引进 Sanyo的VGA产品。Matsushita、Sharp的产品规划与Sony相差不多,首要差异在于Matsushita预备推出更小的400万象素 (1/2.7英寸)与130万象素(1/4英寸)产品。

 开展远景

专家们以为,21世纪初全球CMOS图画传感器商场将在PC摄像机、移动通讯商场、数码相机、摄像机商场商场等范畴取得大幅度添加,在未来的几年时刻内,在130 万像素至200万像素之下的产品中,刘涛肩带滑落将开端以CMOS传感器为干流。以小型化和低功耗CMOS图画传感器为中心的摄像机正在成为消费类产品的干流,上述范畴将为图画传感器商场带来巨大开展[2]。

业界动态

2009年8月28日,索尼秋季数码印象新lol半价,CMOS传感器,李洪志品发布会在北京隆重举行,索尼宣告在三条产品线推出共十款数码印象新品。其间 DSC-TX1和DSC-WX1初次运用了新式印象传感器Exmor R CMOS印象传感器,它选用先进的背照耀技能,其对光线的灵敏度比传统的CMOS印象传感器前进了约2倍,大幅前进了拍照画质,得到亮堂画面的一起更好地降噪,使得在低照度条件下依然能够取得细节丰厚的相片,造就杰出的夜间拍照功用。该传感器具有1020万有用像素,支撑从ISO100~ISO3200的感光度规模,并支撑720p的高画质动态印象视频拍照。功用强壮的Exmor R MOS合作BIONZ印象处理器,能够快速精确地处理海量信息,使DSC TX1和WX1具有了手持夜景形式、全景拍照、动作防抖和每秒最看护香香公主高约10张。

三星电子公司前进CMOS传感器灵敏度的反面照耀(BSI:backside illumination)技能到达了实用化水平,2010年将批量出产产品。三家大型CMOS传感器公司均将在2010年开端量产选用反面照耀技能的 CMOS传感器(BSI型CMOS传感器)。三星在工艺技能方面将选用适于下降本钱的办法。之所以着手从事BSI技能,是因为经过前进灵敏度能够保持相同的灵敏度一起缩小像素距离。据该公司预算,1.4m距离的BSI型能够取得与根据现有技能的FSI(Front Side Illumination)型1.75m距离产品相同的画质。同一像素距离,BSI型的灵敏度能够比FIS型高30%。三星为在往后量产1.1m距离产品等距离更小的元件,将添加BSI型的份额。该公司方案把2010年第一批量产的BSI型CMOS传感器做成支撑1460万像素和30帧/秒的元件。估计将装备于数码相机、数码摄像机及高端手机等设备上[3]。

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