CMOS成像技術(shù)讓照相功能大顯身手

關(guān)鍵詞： CMOS , 成像 , 照相

互補(bǔ)型金屬氧化物半導(dǎo)體( CMOS)成像技術(shù)已經(jīng)成為眾多新興攝像頭應(yīng)用的首選。數(shù)字成像隨著1969年電荷耦合器件( CCD)的發(fā)明而誕生，但在此后的30年間，它一直未能成為主流的圖像采集技術(shù)。二十世紀(jì)九十年代中期，因美國(guó)航空航天局噴氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了有源像素體系結(jié)構(gòu)，CMOS技術(shù)才在取景方面得到飛速方展，CMOS傳感器業(yè)已穩(wěn)步立足市場(chǎng)，正引領(lǐng)業(yè)界朝著新的發(fā)展方向邁進(jìn)。CCD技術(shù)無(wú)法在廣泛的成像應(yīng)用領(lǐng)域競(jìng)爭(zhēng)，我們可能會(huì)看到，它將向越來(lái)越專業(yè)化的方向發(fā)展，為諸如DSLR等專業(yè)領(lǐng)域服務(wù)，最終走上Betamax錄像帶和vinyl LP錄像的道路。

CMOS傳感器的優(yōu)勢(shì)

1．低功耗

有源像素CMOS傳感器的功耗只有20到50毫瓦。這樣低的功耗能夠大幅延長(zhǎng)手機(jī)或數(shù)碼相機(jī)的電池使用壽命。  

2．標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體制造平臺(tái)

CMOS圖像傳感器是在標(biāo)準(zhǔn)DRAM裸片上生產(chǎn)的，具有成本合理、生產(chǎn)便利的特點(diǎn)。另外， DRAM制造工藝本身具有降低泄漏電流的特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)低噪聲工作，獲得清晰、銳利的圖像質(zhì)量。  

3．更小的電路板體積

CMOS圖像傳感器在一個(gè)裸片中集成了多項(xiàng)攝像頭功能，降低了芯片數(shù)量，提高了可靠性，簡(jiǎn)化了小型化過(guò)程，并且降低了總成本。  

4．運(yùn)行速度快

CMOS的有源像素技術(shù)可以驅(qū)動(dòng)圖像陣列的列總線高速傳輸，其芯片附帶的 模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)可以更容易地驅(qū)動(dòng)高速信號(hào)進(jìn)行芯片傳輸。這兩項(xiàng)特性為機(jī)器視覺(jué)和運(yùn)動(dòng)分析應(yīng)用提供了巨大優(yōu)勢(shì)。  

5．更大的靈活性

CMOS裝置的行列尋址功能與基本DRAM相似，能夠提供關(guān)注窗口度數(shù)，并且支持芯片電子搖攝、傾斜和變焦。這些功能可以為需要圖像壓縮、運(yùn)動(dòng)探測(cè)或目標(biāo)跟蹤的應(yīng)用提供更大的靈活性。靈活的尋址特性與高速CMOS相結(jié)合為設(shè)計(jì)人員改善自動(dòng)對(duì)焦和自動(dòng)曝光提供了眾多選擇。  

6．供應(yīng)穩(wěn)定

CMOS產(chǎn)品采用基于DRAM的制造工藝，能夠提供足夠的產(chǎn)量、準(zhǔn)備時(shí)間、產(chǎn)能和預(yù)期優(yōu)勢(shì)。  

7．可更快推向市場(chǎng)

CMOS圖像傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，進(jìn)行應(yīng)用設(shè)計(jì)時(shí)，方便快捷，能夠?qū)⒆罱K產(chǎn)品快速推向市場(chǎng)，并立刻產(chǎn)生效益。  

8．芯片集成了組件或完整的攝像頭系統(tǒng)

CMOS傳感器靈活性強(qiáng)，制造時(shí)既可以作為獨(dú)立組件，也可與數(shù)字圖像流處理器相結(jié)合，建立完整的芯片攝像頭系統(tǒng)(SOC)解決方案。 SOC可執(zhí)行一系列復(fù)雜的處理功能，其中包括色彩還原、色彩修正、銳化及自動(dòng)曝光。集成式SOC進(jìn)一步簡(jiǎn)化了應(yīng)用設(shè)計(jì)，降低了芯片數(shù)量，使設(shè)計(jì)人員能夠最大程度利用電路板空間。

諸如智能電話和手持設(shè)備以及筆記本電腦等高質(zhì)量消費(fèi)產(chǎn)品，以及智能汽車市場(chǎng)和監(jiān)控/安全市場(chǎng)都具有很大的需求，直到如今，使用傳統(tǒng)的CCD成像技術(shù)無(wú)法輕松滿足這些需求。

移動(dòng)電話：CMOS的最忠實(shí)擁護(hù)者

為手機(jī)設(shè)計(jì)的攝像頭從入門級(jí)設(shè)計(jì)到功能豐富的多媒體設(shè)備種類繁多。預(yù)計(jì)到2008年，全球售出的新攝像頭手機(jī)中有超過(guò)75%至少配有一個(gè)攝像頭，有超過(guò)5%具有兩個(gè)攝像頭。截止2007年底，手機(jī)的年銷售額達(dá)10億部，用戶安裝數(shù)量超過(guò)10億部。

攝像頭手機(jī)正在成為消費(fèi)攝影領(lǐng)域中的新角色。通常消費(fèi)者不會(huì)隨身攜帶數(shù)碼相機(jī)，但是會(huì)隨身攜帶具有攝像頭的手機(jī)，隨行隨拍。攝像頭手機(jī)能夠讓用戶隨時(shí)記錄并分享生活中容易錯(cuò)過(guò)的美好瞬間。

目前VGA(640×480像素)和130萬(wàn)像素(1280×960像素)仍是攝像手機(jī)中的主流分辨率，這樣的打印質(zhì)量無(wú)法滿足消費(fèi)者的期望。目前業(yè)界正趨向于為手機(jī)設(shè)計(jì)200萬(wàn)像素(1600×1200像素)和300萬(wàn)像素(2048×1536像素)圖像傳感器，讓用戶能夠在4×6英寸格式到8.5×11英寸格式下打印清晰銳利的圖片。

除了分辨率和圖像傳感器質(zhì)量外，攝像頭大小對(duì)于手機(jī)市場(chǎng)也非常重要。四分之一英寸或更小的袖珍光學(xué)格式是如今主流手持設(shè)備的關(guān)鍵設(shè)計(jì)要求。最新像素技術(shù)已能夠?qū)崿F(xiàn)1.75微米像素，并能在保持優(yōu)異畫質(zhì)情況下使用8x8mm格式實(shí)現(xiàn)300萬(wàn)像素分辨率。

解決圖像質(zhì)量和尺寸問(wèn)題后，功耗成為手機(jī)市場(chǎng)的另一個(gè)主要障礙。CMOS的設(shè)計(jì)具有更低的耗電量，可以為設(shè)計(jì)人員提供更長(zhǎng)的電池壽命，或者為更小的手持設(shè)備提供體積更小的電池。

同時(shí)實(shí)現(xiàn)攝像頭的拍照和視頻功能

無(wú)論是購(gòu)買攝像手機(jī)還是數(shù)碼相機(jī)，消費(fèi)者都需要同一臺(tái)設(shè)備同時(shí)具有視頻和照片拍攝功能。因?yàn)镃MOS具有成本低、體積小、靈活性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，更容易滿足這些要求。

消費(fèi)者需要攝像頭具有高分辨率視頻和高速圖像捕獲等高級(jí)功能，但又不想支付過(guò)高的價(jià)格。另外，隨著通訊條件的飛速進(jìn)步，計(jì)算能力的提升，以及網(wǎng)絡(luò)帶寬的增加，消費(fèi)者能夠輕松地管理和共享他們拍攝的美好瞬間。

CMOS瞄準(zhǔn)快速增長(zhǎng)的網(wǎng)絡(luò)攝像頭市場(chǎng)

伴隨免費(fèi)網(wǎng)絡(luò)電話、即時(shí)消息和高質(zhì)量成像技術(shù)的出現(xiàn)，視頻聊天正在朋友、家人和同事之間迅速流行開來(lái)。目前大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)攝像頭還是只有VGA或130萬(wàn)像素分辨率的傳統(tǒng)“連線”式攝像頭，但市場(chǎng)正在向用于筆記本電腦和平板顯示器的200萬(wàn)像素或更高分辨率的方向穩(wěn)步發(fā)展。

CMOS攝像頭具有較快的幀速率，能夠捕捉銳利、清晰的視頻圖像和較高的動(dòng)態(tài)范圍，可以在不同光照條件下確保較高的圖像質(zhì)量，CMOS攝像頭的這些優(yōu)點(diǎn)都有助于推動(dòng)視頻聊天的采用。

使用CMOS成像技術(shù)實(shí)現(xiàn)更安全、更智能的駕駛

隨著技術(shù)更先進(jìn)的汽車和商用交通工具的上路，成像功能成為一項(xiàng)能夠?yàn)轳{駛員提供更好視野的實(shí)用功能，這些功能增強(qiáng)應(yīng)用還包括車道偏離警告和自動(dòng)巡航控制系統(tǒng)等。車輛使用的成像功能主要用于場(chǎng)景查看和場(chǎng)景處理應(yīng)用。在場(chǎng)景查看應(yīng)用中，CMOS攝像頭用于提高駕駛員對(duì)周圍景物的認(rèn)識(shí)。汽車場(chǎng)景查看應(yīng)用的實(shí)例包括停車輔助、尾部和側(cè)面視頻觀察、乘客查看、后視鏡替代/輔助以及生物識(shí)別/安全。

在場(chǎng)景處理應(yīng)用中，攝像頭捕獲環(huán)境信息，并將這些信息發(fā)送到車輛的數(shù)據(jù)系統(tǒng)，幫助車輛“了解”周圍情況，處理信息，并做出反應(yīng)。例如，在車輛位于巡航模式下并且與前車距離過(guò)近時(shí)，攝像頭能夠提供接近距離數(shù)據(jù)，從而讓車輛執(zhí)行自動(dòng)剎車等輔助操作。場(chǎng)景處理功能可以讓您的駕駛體驗(yàn)更安全、更方便。用于場(chǎng)景處理的攝像頭必須能夠在所有光照級(jí)別和極端溫度下正常工作。

因?yàn)檐囃獾木拔镌陔S時(shí)變化，攝像頭必須具有比實(shí)時(shí)要求更高的采樣速率，才能避免車輛碰撞。攝像頭必須能夠在不需要額外圖像重建處理情況下，清晰顯示出場(chǎng)景。汽車場(chǎng)景理解方面的應(yīng)用實(shí)例包括：適應(yīng)性巡航控制、碰撞避讓/行人保護(hù)、車道監(jiān)察和偏離警告、疲勞監(jiān)測(cè)、風(fēng)擋玻璃雨刷器控制和遠(yuǎn)光暗化。

汽車環(huán)境對(duì)于攝像頭來(lái)說(shuō)非常惡劣。攝像頭必須承受極強(qiáng)的光照和極端的溫度，并與多種不同體系結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)集成，并且需要始終穩(wěn)定工作。具體來(lái)說(shuō)，需要將汽車部件設(shè)計(jì)為能夠承受-40°C到+85°C的溫度范圍，對(duì)于一些特定裝置，工作時(shí)與存放時(shí)的耐受溫度范圍分別為-40°C至+105°C和-40°C至+125°C。

許多汽車場(chǎng)景處理應(yīng)用需要具有較高的動(dòng)態(tài)范圍，以執(zhí)行一些重要功能。從技術(shù)角度來(lái)說(shuō)，450nm–1,050nm＞40% QE at 550nm的光譜范圍可以檢測(cè)到從深藍(lán)(DB)到近紅外(NIR)光譜，峰值相應(yīng)與人眼范圍相似。需要使用電子卷簾快門(ERS)提供優(yōu)異的視頻捕捉性能(特別是在低光照條件下)。  

CMOS著眼新興市場(chǎng)：安保與監(jiān)控

隨著安保與監(jiān)控?cái)z像頭市場(chǎng)在全球范圍內(nèi)不斷擴(kuò)大，成像質(zhì)量更高、功能豐富、價(jià)格合理的攝像頭成為需求的重點(diǎn)。CMOS攝像頭能夠?yàn)榘脖?yīng)用提供一系列固有的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，這些優(yōu)勢(shì)包括優(yōu)秀的圖像性能、較高的動(dòng)態(tài)范圍、低噪聲、更高的幀速率和更小的體積。

基于CMOS的安保圖像傳感器設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，能夠在低光照條件下提供優(yōu)異的成像性能，具有近紅外和低于可見燭光(等于一支點(diǎn)燃蠟燭發(fā)出的光亮)的成像能力。

普通住戶需要低成本、高質(zhì)量并且可以自己安裝的攝像頭解決方案，這種需求推動(dòng)了消費(fèi)級(jí)安保攝像頭市場(chǎng)的發(fā)展，用戶可以自己安裝、維護(hù)并操作這些家用解決方案。以前可供DIY的攝像系統(tǒng)多數(shù)都存在圖像閃爍和模糊的問(wèn)題。為滿足消費(fèi)者的需求，各廠商正在利用基于高質(zhì)量CMOS的圖像傳感器設(shè)計(jì)產(chǎn)品，提供成本低、性能好的攝像頭系統(tǒng)，以抓住這個(gè)新的市場(chǎng)機(jī)會(huì)。用于家用安保市場(chǎng)的CMOS成像技術(shù)主要具有以下優(yōu)勢(shì)：VGA或百萬(wàn)像素分辨率； NTSC或 PAL格式的數(shù)模輸出；適用于簡(jiǎn)單攝像頭模塊設(shè)計(jì)和更少組件數(shù)目的片載系統(tǒng)(SOC)攝像頭；不使用馬達(dá)或任何移動(dòng)部件而通過(guò)搖攝、傾斜和變焦功能實(shí)現(xiàn)寬廣視場(chǎng)，并且可以隨時(shí)掃描傳感器的整個(gè)視場(chǎng)顯示其中的任意區(qū)域。

對(duì)商用攝像頭市場(chǎng)，重要的是攝像頭應(yīng)具有在同一地點(diǎn)的大動(dòng)態(tài)范圍光照條件下捕捉清晰、銳利、顏色逼真的圖像的能力，并且能夠捕捉寬廣的視場(chǎng)。商用安保市場(chǎng)的CMOS成像技術(shù)具有以下主要優(yōu)勢(shì)：

具有數(shù)百萬(wàn)像素的分辨率，支持每秒15幀(fps)的全屏幕和每秒30幀及以上的子窗口，非常適合需要監(jiān)控整個(gè)房間或視野的攝像頭應(yīng)用，或者深入探查，聚焦于小而重要的細(xì)節(jié)。  

在高達(dá)100dB的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，與CCD成像器相比，能使攝像頭從動(dòng)態(tài)范圍更寬的場(chǎng)景中捕獲到詳細(xì)信息，設(shè)計(jì)成本也更低。  

不使用馬達(dá)或任何移動(dòng)部件而通過(guò)電子搖攝、傾斜和變焦功能功能實(shí)現(xiàn)寬廣視場(chǎng)，可以隨時(shí)掃描傳感器的整個(gè)視場(chǎng)顯示其中的任意區(qū)域。  

如配備魚眼鏡頭，可提供完整的全景視野。  

日常生活對(duì)于高質(zhì)量成像技術(shù)的需求不斷增長(zhǎng)，最后這種需求成為了現(xiàn)實(shí)。CMOS圖像傳感器在功耗、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和片載功能集方面具有眾多優(yōu)勢(shì)，所有這些優(yōu)勢(shì)縮短了產(chǎn)品推向市場(chǎng)的時(shí)間，增強(qiáng)了產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。CMOS圖像傳感器基本代表了最先進(jìn)的成像技術(shù)，將成為未來(lái)幾年圖像傳感器市場(chǎng)的主流。