一文深度了解圖像傳感器的應(yīng)用場景

在上一篇文章里我們簡單了解圖像傳感器的原理、種類和區(qū)別。除了CIS接觸式圖像傳感器，一直以來，人們經(jīng)常討論CMOS和CCD兩種圖像傳感器之間的比較優(yōu)勢，但自始至終，卻沒有任何定論浮出水面。由于人們關(guān)注的主題總在不斷變化，因此，關(guān)于問題的答案也是不確定的。

科技在進(jìn)步，市場也日新月異，影響產(chǎn)品競爭力的因素不再只是技術(shù)，還包括商業(yè)利益。圖像傳感器的應(yīng)用范圍也發(fā)生了變化，需要滿足更多不同的需求。

有一些應(yīng)用是CMOS成像器的強(qiáng)項(xiàng)，另一些則是CCD的優(yōu)勢。在本文中，我們也不討論孰強(qiáng)孰弱，只是深入探討一下這兩種圖像傳感器在不同領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展情況，以方便大家根據(jù)自身的實(shí)際情況作出正確的選擇。

數(shù)碼相機(jī)領(lǐng)域

早期，在數(shù)碼相機(jī)領(lǐng)域，CCD是無可爭議的霸主，絕大部分?jǐn)?shù)碼相機(jī)都采用CCD成像，只有佳能在自己的高端單反相機(jī)型號(hào)上采用CMOS元件。不過近年來，CMOS發(fā)展勢頭迅猛，幾乎已經(jīng)在家用單反相機(jī)中一統(tǒng)江湖。

CCD元件的色彩飽和度好，圖像較為銳利，質(zhì)感更加真實(shí)，特別是在較低感光度下的表現(xiàn)很好。不過，CCD元件的制造成本高，在高感光度下的表現(xiàn)不太好，而且功耗較大。

CMOS的色彩飽和度和質(zhì)感則略差于CCD，但處理芯片可以彌補(bǔ)這些差距。重要的是，CMOS具備硬件降噪機(jī)制，在高感光度下的表現(xiàn)要好于CCD，此外，它的讀取速度也更快。

這些特性特別適合性能較高的單反相機(jī)，因此目前市場中常見的單反數(shù)碼相機(jī)幾乎都采用了CMOS傳感器。這些裝備了CMOS傳感器的數(shù)碼相機(jī)甚至具備了拍攝全高清（FullHD）視頻的能力，這是使用CCD的數(shù)碼相機(jī)目前無法做到的。

CMOS另一個(gè)優(yōu)勢就是非常省電，只有普通CCD的1/3左右。雖然CMOS元件在低感光度下的表現(xiàn)比CCD差，特別是在小尺寸的家用消費(fèi)類相機(jī)成像元件上，由于像素面積小，這個(gè)缺陷就更為明顯。

但背照式CMOS（backsideilluminatedCMOS）傳感器的出現(xiàn)，解決了這一問題。

目前的態(tài)勢是：CMOS已經(jīng)占據(jù)了可更換鏡頭的高端數(shù)碼相機(jī)市場，并借助背照式CMOS殺入消費(fèi)類數(shù)碼相機(jī)市場。

目前在數(shù)碼相機(jī)領(lǐng)域，目前只有萊卡公司的多款數(shù)碼產(chǎn)品以及一些中畫幅數(shù)碼相機(jī)或數(shù)碼后背仍然在使用CCD傳感器，這是因?yàn)椴煌a(chǎn)品對(duì)畫質(zhì)有著不同的要求，所以那些中畫幅的數(shù)碼產(chǎn)品也的價(jià)格也往往會(huì)高出普通數(shù)碼相機(jī)許多。

數(shù)碼攝像機(jī)領(lǐng)域

首先，我們先了解一下CCD攝像機(jī)的工作方式：被攝物體的圖像經(jīng)過鏡頭聚焦至CCD芯片上，CCD根據(jù)光的強(qiáng)弱積累相應(yīng)比例的電荷，各個(gè)像素積累的電荷在視頻時(shí)序的控制下，逐點(diǎn)外移，經(jīng)濾波、放大處理后，形成視頻信號(hào)輸出。

視頻信號(hào)連接到監(jiān)視器或電視機(jī)的視頻輸入端便可以看到與原始圖像相同的視頻圖像。CCD在工作時(shí)，上百萬個(gè)像素感光后會(huì)生成上百萬個(gè)電荷，所有的電荷全部經(jīng)過一個(gè)“放大器”進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)變，形成電子信號(hào)，因此，這個(gè)“放大器”就成為了一個(gè)制約圖像處理速度的“瓶頸”，所有電荷由單一通道輸出，就像千軍萬馬從一座橋上通過，當(dāng)數(shù)據(jù)量大的時(shí)候就發(fā)生信號(hào)“擁堵”，而HDV格式卻恰恰需要在短時(shí)間內(nèi)處理大量數(shù)據(jù)，因此，在民用級(jí)產(chǎn)品中使用單CCD無法滿足高速讀取高清數(shù)據(jù)的需要。

CCD器件由硅材料制成，對(duì)近紅外比較敏感，光譜響應(yīng)可延伸至1.0um左右。夜間隱蔽監(jiān)視時(shí)，可以用近紅外燈照明，人眼看不清環(huán)境情況，在監(jiān)視器上卻可以清晰成像。但是CCD傳感器表面有一層吸收紫外的透明電極，所以CCD對(duì)紫外不敏感。

CMOS在工作時(shí)，每個(gè)像素點(diǎn)都有一個(gè)單獨(dú)的放大器轉(zhuǎn)換輸出，因此CMOS沒有CCD的“瓶頸”問題，能夠在短時(shí)間內(nèi)處理大量數(shù)據(jù)，輸出高清影像，因此也能都滿足HDV（高清數(shù)碼攝像機(jī)）的需求。

另外，CMOS工作所需要的電壓比CCD低很多，功耗大約只有CCD的1/3。因此，電池尺寸可以做得更小，使得攝像機(jī)的體積也就做得更小。而且，每個(gè)CMOS都有單獨(dú)的數(shù)據(jù)處理能力，這也大大減少的集成電路的體積，這也讓高清數(shù)碼攝像機(jī)得以實(shí)現(xiàn)小型化。

另外， CCD傳感器通常能看到照度是0.1~3Lux，CMOS傳感器的感光度一般在6到15Lux的范圍內(nèi)，CCD是CMOS傳感器感光度的3到10倍，且CMOS傳感器有固定比CCD傳感器高10倍的噪音，固定的圖案噪音始終停留在屏幕上好像那就是一個(gè)圖案。因此在早期，大量應(yīng)用的所有攝像機(jī)都是用了CCD傳感器，CMOS傳感器一般用于低端的家庭安全方面。

但是，也有例外，就CMOS傳感器可以做得非常大并有和CCD傳感器同樣的感光度，CMOS傳感器非常快速，比CCD傳感器要快10到100倍，因此非常適用于特殊應(yīng)用如HDV（高清數(shù)碼攝像機(jī)）或者高幀攝像機(jī)。

CMOS傳感器可以將所有邏輯和控制環(huán)都放在同一個(gè)硅芯片塊上，可以使攝像機(jī)變得簡單并易于攜帶，因此CMOS攝像機(jī)可以做得非常小。

隨著CMOS在制造工藝和影像處理技術(shù)上的不斷突破， CMOS的前景也越來越樂觀。高清數(shù)字影像的普及更是CMOS技術(shù)發(fā)展的一個(gè)難得機(jī)遇。

而且，與CCD相比，CMOS的制造原理更加簡單，體積更小，功耗可以大大的降低。種種跡像表明：盡管從目前的狀況看，CMOS與CCD圖像傳感器的應(yīng)用市場仍然有一個(gè)分界，但這個(gè)界限已經(jīng)越來越模糊。

在選擇CCD攝像機(jī)還是CMOS攝像機(jī)時(shí)，目前一般遵循以下原則：

一、低照度環(huán)境下宜使用CCD攝像機(jī)

由于CCD感光單元有效面積大，在光照強(qiáng)度較低的環(huán)境中，能相對(duì)清晰地呈現(xiàn)出被攝物體原貌。相反，CMOS傳感器靈敏度低，ISO感光度差，低照時(shí)成像清晰度大大降低。所以，在低照度環(huán)境下，如燈光較暗的停車場、樓梯間、封閉通道和暗室等，宜選用感光靈敏的CCD攝像機(jī)。

二、隱蔽環(huán)境中使用CMOS攝像機(jī)

CMOS傳感器可以將所有邏輯和控制環(huán)都放在同一個(gè)硅芯片塊上，使攝像機(jī)變得簡單靈巧，因此CMOS攝像機(jī)可以做得非常小。而CCD攝像機(jī)限于外圍復(fù)雜電路影響，體積無法做到CMOS般微型化。對(duì)于道路、門口等攝像機(jī)易受不法分子攻擊破壞的場合，選用CMOS攝像機(jī)能達(dá)到隱蔽執(zhí)法、避免攻擊的作用。

三、圖像質(zhì)量要求高的場合選用CCD攝像機(jī)

CCD結(jié)構(gòu)中由于每行僅有一個(gè)ADC,信號(hào)放大比例一致，所以圖像還原真實(shí)自然、噪點(diǎn)低，在對(duì)畫質(zhì)要求苛刻的場合宜選用CCD攝像機(jī)。

四、高幀攝像時(shí)選用CMOS攝像機(jī)更佳

前面提到過，CCD傳感器在數(shù)據(jù)處理方面存在“瓶頸”。而 CMOS傳感器不需要復(fù)雜的處理過程，直接將圖像半導(dǎo)體產(chǎn)生的光電信號(hào)轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)，因此處理非常快。這個(gè)優(yōu)點(diǎn)使得CMOS傳感器對(duì)于高幀攝像機(jī)非常有用，速度能達(dá)到400到2000幀/秒。所以對(duì)于高速攝像場所，選用CMOS攝像機(jī)效果更佳。

手機(jī)及汽車安防領(lǐng)域

我們知道相比于CCD傳感器，CMOS傳感器在功耗、體積及制造成本方面有著不可比擬的優(yōu)勢，而這些正在生產(chǎn)廠家在大規(guī)模市場應(yīng)用中絕對(duì)不可忽視的因素。得益于智能手機(jī)、汽車行駛記錄儀及網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控市場近幾年的高速增長，CMOS傳感器在資金、技術(shù)投入方面獲得了巨大支持。

據(jù)估測，受手機(jī)市場和汽車市場的推動(dòng)，CMOS圖像傳感器市場從2014年開始，至2020年間的年均增長率將保持在10.6％左右，到2020年，市場規(guī)模預(yù)計(jì)將達(dá)到162億美元。

CMOS市場藍(lán)圖

為了實(shí)現(xiàn)低能耗和小型組件的高度集成，CMOS設(shè)計(jì)師開始關(guān)注開發(fā)手機(jī)成像器——世界上規(guī)模最大的成像器應(yīng)用。大量資金投入到開發(fā)和微調(diào)CMOS成像器及其生產(chǎn)工藝方面。正因?yàn)榇?，CMOS成像器的圖像質(zhì)量即使在像素尺寸收縮的情況下仍然大為改善。

CCD成像質(zhì)量好，但是制造工藝復(fù)雜，能夠生產(chǎn)的廠家也比較少，價(jià)格也相對(duì)來說比較高，并且功耗也很高，因此，不適合在移動(dòng)設(shè)備上使用。而CMOS傳感器耗電低，但是畫質(zhì)水平比不上CCD，不過隨著技術(shù)的提高，COMS的畫質(zhì)已經(jīng)逐步趕上了CCD,另外，在相同分辨率下，CMOS價(jià)格比CCD便宜，所以目前市面上的手機(jī)攝像頭都采用CMOS傳感器。

通常CMOS傳感器又會(huì)分為：背照式CMOS傳感器和堆棧式CMOS傳感器。

背照式CMOS傳感器

堆棧式CMOS

所謂背照式CMOS傳感器其實(shí)是與傳統(tǒng)正照式CMOS傳感器相對(duì)的。簡單來說就是將光電二極管和布線層進(jìn)行對(duì)調(diào)，從而讓光線首先進(jìn)入感光電二極管，從而增大感光量，顯著提高低光照條件下的拍攝效果。像我們所熟知的iPhon、小米、魅族都是搭載的這類傳感器。

而堆棧式CMOS傳感器則是背照式CMOS傳感器的衍生產(chǎn)物，它是目前手機(jī)攝像頭中應(yīng)用最廣泛的一種，也是最先進(jìn)的一種，屬于索尼的獨(dú)家技術(shù)。

堆棧式CMOS傳感器使用有信號(hào)處理電路的芯片替代了原來背照CMOS圖像傳感器的支持基板，在芯片上重疊形成背照CMOS元件的像素部分，從而實(shí)現(xiàn)了在較小的芯片尺寸上形成大量像素點(diǎn)的工藝。由于像素部分和電路部分分別獨(dú)立，因此像素部分可針對(duì)高畫質(zhì)優(yōu)化，電路部分可針對(duì)高性能優(yōu)化。

需要說明的是感光元件只是手機(jī)類攝像頭組成中不可或缺的一部分，但不是成像質(zhì)量的決定性因素，這其中還包括廠商通過軟件對(duì)硬件的優(yōu)化調(diào)校，使其讓人感覺最好的效果，這也是目前各家廠商在手機(jī)攝像畫質(zhì)方面效果差異最大的決定性因素之一。

航天、醫(yī)學(xué)以及專業(yè)定制領(lǐng)域

看了上面的內(nèi)容，可能容易讓人造成一種錯(cuò)覺，是不是經(jīng)過這么多年的發(fā)展，CCD傳感器真的已經(jīng)被CMOS傳感器全面超越了呢？其實(shí)不然。

自從1610年伽利略將他的望遠(yuǎn)鏡對(duì)向遙遠(yuǎn)的天空，世界上還沒有任何一個(gè)事件有如“哈勃”空間望遠(yuǎn)鏡如此巨大地改變了人類對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)。

1990年美國國家航空航天局采用CCD數(shù)字成像技術(shù)，將有史以來最大最精確的“哈勃”空間望遠(yuǎn)鏡送上了太空軌道。從1.6萬公里以外的螢火蟲，到相距130億光年的古老星系，她成功的創(chuàng)造了一個(gè)個(gè)空間觀測奇跡，包括發(fā)現(xiàn)黑洞存在的證據(jù)，探測到恒星和星系的早期形成過程。

這就是我們都熟知的哈勃空間望遠(yuǎn)鏡中的CCD應(yīng)用。用一幅圖，就足以證明CCD的偉大。

2011年7月，歐空局為新衛(wèi)星配十億像素?cái)?shù)碼相機(jī)。其使用106塊獨(dú)立的電子探測器件合成了世界上有史以來為太空計(jì)劃建造過的最大像素?cái)?shù)碼相機(jī)。

這臺(tái)被稱作“十億像素陣列”的相機(jī)安裝在歐洲空間局發(fā)射的“蓋亞”探測器上，成為它超靈敏的眼睛。為了探測到比肉眼可見暗數(shù)百萬倍的恒星，蓋亞探測器需要配備超高靈敏度的相機(jī)。這臺(tái)相機(jī)就是由106個(gè)CCD（電子耦合器件）制作而成的。

中國首顆繞月人造衛(wèi)星嫦娥一號(hào)，資源一號(hào)衛(wèi)星、嫦娥二號(hào)、海洋一號(hào)等眾多航天探測器也都是使用CCD作為超高靈敏度的相機(jī)核心部件。這足以說明CCD在太空影像的核心地位。

CCD不僅是超高清成像設(shè)備部件，同樣有著極強(qiáng)的耐用性。太空的環(huán)境與地球環(huán)境相比，不用多言，太空已成為高寒的環(huán)境，平均溫度為零下270.3℃。

在太空中，各種天體也向外輻射電磁波，許多天體還向外輻射高能粒子，形成宇宙射線。如太陽有太陽電磁輻射，太陽宇宙線輻射和太陽風(fēng)。相機(jī)作為獲取太空影像信息的核心部件，其在太空環(huán)境下的壽命至關(guān)重要的。而CCD探測器長達(dá)幾十年的

設(shè)計(jì)壽命，完美的滿足了高清和耐用兩個(gè)剛性指標(biāo)。

CCD探測器在航天航空領(lǐng)域不斷的發(fā)展，同樣的，其在醫(yī)用領(lǐng)域，CCD也是最常用的圖像傳感器。近年來，CCD探測器更是突破材料極限，采用新的設(shè)計(jì)思路，使得CCD探測器能夠輸出大幅面動(dòng)態(tài)影像，在醫(yī)學(xué)臨床診斷上有里程碑式的意義。醫(yī)用CCD技術(shù)，與航天航空CCD技術(shù)一脈相承，可以說，有著非常過硬的質(zhì)量和廣泛的應(yīng)用前景。

Medical醫(yī)用顯微內(nèi)窺鏡。利用超小型的CCD攝像機(jī)或光纖圖像傳輸內(nèi)窺鏡系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)人體顯微手術(shù)，減小手術(shù)刀口的尺寸，減小傷口感染的可能性，減輕病人的痛苦。同時(shí)還可進(jìn)行實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程會(huì)診和現(xiàn)場教學(xué)。

實(shí)際上，直到現(xiàn)在，CCD探測器在醫(yī)學(xué)、航天、航空、遙感模塊轉(zhuǎn)換圖像幀獲取、衛(wèi)星偵察、天文觀測、通訊、交通、機(jī)械、鋼鐵、電子、計(jì)算機(jī)、機(jī)器人視覺、新聞、廣播、電影、電視、金融、出版、印刷、紡織、食品、照相、文教、公安、保衛(wèi)、家電、旅游等各個(gè)領(lǐng)域一直都有非常強(qiáng)勁和深入的發(fā)展。

另外，無論是CMOS或是CCD，市場在售的圖像傳感器的價(jià)格比全定制圖像傳感器要低得多。如果非要定制，除非變化很小，那么定制CCD成像器的價(jià)格一般低于定制CMOS的價(jià)格。

由于CMOS成像器采用的深亞微米掩膜價(jià)格較高，因此CMOS成像器的研發(fā)價(jià)格也相應(yīng)地高于CCD成像器。此外，CMOS設(shè)備需要設(shè)計(jì)的電路也更多。因此，即使定制CMOS成像器的應(yīng)用性能較好，但是考慮到價(jià)格因素，客戶仍然更加親睞定制CCD成像器。

總結(jié)

多年以前，當(dāng)CMOS這種傳感器還并沒有完全被廣泛應(yīng)用的時(shí)候，CCD牢牢占據(jù)著當(dāng)時(shí)大部分?jǐn)?shù)碼相機(jī)最核心的位置。

隨著科技的發(fā)展，技術(shù)的不斷提高，CMOS作為后起之秀已經(jīng)逐漸在取代前者CCD的地位并且不斷的自我改良。優(yōu)勝劣汰，這是自然中所有行業(yè)都要遵循的法則。

將來，在照相機(jī)市場的主要發(fā)展方向任然會(huì)是以CMOS作為核心，并在這個(gè)基礎(chǔ)上不斷提高CMOS的分辨率以及靈敏度等等。

時(shí)代在進(jìn)步，節(jié)約成本是每個(gè)商家都在堅(jiān)持的經(jīng)商法則，CCD的未來不一定在相機(jī)市場里，在其他領(lǐng)域，CCD也會(huì)憑借著自身的優(yōu)勢而被廣泛的使用。

科技不斷發(fā)展，我相信在未來的某一天，一定會(huì)有更多種類的傳感器出現(xiàn)，這也只是時(shí)間的問題，到那時(shí)我們回望過去，看看我們?cè)?jīng)經(jīng)歷過的膠片時(shí)代、CCD時(shí)代和CMOS時(shí)代，一定會(huì)由衷的感嘆科技日新月異的飛速發(fā)展。

審核編輯：湯梓紅