圖像傳感器的應(yīng)用場景分析

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成像器的強項，另一些則是CCD的優(yōu)勢。在本文中，我們也不討論孰強孰弱，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)自身的實際情況作出正確的選擇。

數(shù)碼相機領(lǐng)域

數(shù)碼相機

早期，在數(shù)碼相機領(lǐng)域，CCD是無可爭議的霸主，絕大部分數(shù)碼相機都采用CCD成像，只有佳能在自己的高端單反相機型號上采用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，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這些差距。重要的是，CMOS具備硬件降噪機制，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，因此目前市場中常見的單反數(shù)碼相機幾乎都采用了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)碼相機目前無法做到的。

CMOS另一個優(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類相機成像元件上，由于像素面積小，這個缺陷就更為明顯。

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)碼相機市場，并借助背照式CMOS殺入消費類數(shù)碼相機市場。

萊卡相機

目前在數(shù)碼相機領(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)碼相機或數(shù)碼后背仍然在使用CCD傳感器，這是因為不同產(chǎn)品對畫質(zhì)有著不同的要求，所以那些中畫幅的數(shù)碼產(chǎn)品也的價格也往往會高出普通數(shù)碼相機許多。

數(shù)碼攝像機領(lǐng)域

數(shù)碼攝像機

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

視頻信號連接到監(jiān)視器或電視機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，上百萬個像素感光后會生成上百萬個電荷，所有的電荷全部經(jīng)過一個“放大器”進行電壓轉(zhuǎn)變，形成電子信號，因此，這個“放大器”就成為了一個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，當數(shù)據(jù)量大的時候就發(fā)生信號“擁堵”，而HDV格式卻恰恰需要在短時間內(nèi)處理大量數(shù)據(jù)，因此，在民用級產(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，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對紫外不敏感。

CMOS在工作時，每個像素點都有一個單獨的放大器轉(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）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，使得攝像機的體積也就做得更小。而且，每個CMOS都有單獨的數(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)碼攝像機得以實現(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圖案。因此在早期，大量應(yīng)用的所有攝像機都是用了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?？焖?，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）或者高幀攝像機。

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

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)展的一個難得機遇。

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)用市場仍然有一個分界，但這個界限已經(jīng)越來越模糊。

在選擇CCD攝像機還是CMOS攝像機時，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

由于CCD感光單元有效面積大，在光照強度較低的環(huán)境中，能相對清晰地呈現(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。

二、隱蔽環(huán)境中使用CMOS攝像機

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

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

四、高幀攝像時選用CMOS攝像機更佳

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，直接將圖像半導體產(chǎn)生的光電信號轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號，因此處理非?？臁＿@個優(yōu)點使得CMOS傳感器對于高幀攝像機非常有用，速度能達到400到2000幀/秒。所以對于高速攝像場所，選用CMOS攝像機效果更佳。

手機及汽車安防領(lǐng)域

手機CMOS傳感器

行車記錄儀

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)用中絕對不可忽視的因素。得益于智能手機、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，受手機市場和汽車市場的推動，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)計將達到162億美元。

CMOS市場藍圖

為了實現(xiàn)低能耗和小型組件的高度集成，CMOS設(shè)計師開始關(guān)注開發(fā)手機成像器——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。正因為此，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，價格也相對來說比較高，并且功耗也很高，因此，不適合在移動設(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價格比CCD便宜，所以目前市面上的手機攝像頭都采用CMOS傳感器。

通常CMOS傳感器又會分為：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傳感器其實是與傳統(tǒng)正照式CMOS傳感器相對的。簡單來說就是將光電二極管和布線層進行對調(diào)，從而讓光線首先進入感光電二極管，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，它是目前手機攝像頭中應(yīng)用最廣泛的一種，也是最先進的一種，屬于索尼的獨家技術(shù)。

堆棧式CMOS傳感器使用有信號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，從而實現(xiàn)了在較小的芯片尺寸上形成大量像素點的工藝。由于像素部分和電路部分分別獨立，因此像素部分可針對高畫質(zhì)優(yōu)化，電路部分可針對高性能優(yōu)化。

需要說明的是感光元件只是手機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攝像畫質(zhì)方面效果差異最大的決定性因素之一。

手機攝像頭

航天、醫(yī)學以及專業(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？其實不然。

自從1610年伽利略將他的望遠鏡對向遙遠的天空，世界上還沒有任何一個事件有如“哈勃”空間望遠鏡如此巨大地改變了人類對宇宙的認識。

航天攝像

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)造了一個個空間觀測奇跡，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鏡中的CCD應(yīng)用。用一幅圖，就足以證明CCD的偉大。

哈勃星云

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

這臺被稱作“十億像素陣列”的相機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。這臺相機就是由106個CCD（電子耦合器件）制作而成的。

歐空局衛(wèi)星

中國首顆繞月人造衛(wèi)星嫦娥一號，資源一號衛(wèi)星、嫦娥二號、海洋一號等眾多航天探測器也都是使用CCD作為超高靈敏度的相機核心部件。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。相機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探測器長達幾十年的

設(shè)計壽命，完美的滿足了高清和耐用兩個剛性指標。

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)計思路，使得CCD探測器能夠輸出大幅面動態(tài)影像，在醫(yī)學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攝像機或光纖圖像傳輸內(nèi)窺鏡系統(tǒng)，可以實現(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。同時還可進行實時遠程會診和現(xiàn)場教學。

實際上，直到現(xiàn)在，CCD探測器在醫(yī)學、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、機械、鋼鐵、電子、計算機、機器人視覺、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、旅游等各個領(lǐng)域一直都有非常強勁和深入的發(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成像器的價格一般低于定制CMOS的價格。

由于CMOS成像器采用的深亞微米掩膜價格較高，因此CMOS成像器的研發(fā)價格也相應(yīng)地高于CCD成像器。此外，CMOS設(shè)備需要設(shè)計的電路也更多。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CMOS這種傳感器還并沒有完全被廣泛應(yīng)用的時候，CCD牢牢占據(jù)著當時大部分數(shù)碼相機最核心的位置。

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

時代在進步，節(jié)約成本是每個商家都在堅持的經(jīng)商法則，CCD的未來不一定在相機市場里，在其他領(lǐng)域，CCD也會憑借著自身的優(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，一定會有更多種類的傳感器出現(xiàn)，這也只是時間的問題，到那時我們回望過去，看看我們曾經(jīng)經(jīng)歷過的膠片時代、CCD時代和CMOS時代，一定會由衷的感嘆科技日新月異的飛速發(fā)展。