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1、图像传感器一图像传感器的定义与渊源图像传感器，能感受光学图像信息并转换成可用输出信号的传感器。它是组成数字摄像头的重要组成部分。根据元件的不同，可分为CCD（Charge Coupled Device，电荷耦合元件）和CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor，金属氧化物半导体元件）两大类。感光器件是工业摄像机最为核心的部件，图像传感器有CMOS和CCD两种。CCD特有的工艺，具有低照度效果好、信噪比高、通透感强、色彩还原能力佳等优点，在交通、医疗等高端领域中广泛应用。由于其成像方面的优势，在很长时间内还会延续采用，但同时由于其成本高、功耗大也制约
2、了其市场发展的空间。CCD与CMOS在不同的应用场景下各有优势，但随着CMOS工艺和技术的不断提升，以及高端CMOS价格的不断下降，相信在安防行业高清摄像机未来的发展中，CMOS将占据越来越越重要的地位。CCD（Charged Coupled Device）于1969年在贝尔试验室研制成功，之后由日商等公司开始量产，其发展历程已经将近30多年，从初期的10多万像素已经发展至目前主流应用的500万像素。CCD又可分为线型（Linear）与面型（Area）两种，其中线型应用于影像扫瞄器及传真机上，而面型主要应用于数码相机（DSC）、摄录影机、监视摄影机等多项影像输入产品上。与CCD相比，CMOS具
3、有体积小，耗电量不到CCD的1/10，售价也比CCD便宜1/3的优点。与CCD产品相比，CMOS是标准工艺制程，可利用现有的半导体设备，不需额外的投资设备，且品质可随著半导体技术的提升而进步。同时，全球晶圆厂的CMOS生产线较多，日后量产时也有利于成本的降低。另外，CMOS传感器的最大优势，是它具有高度系统整合的条件。理论上，所有图像传感器所需的功能，例如垂直位移、水平位移暂存器、时序控制、CDS、ADC等，都可放在集成在一颗晶片上，甚至于所有的晶片包括后端晶片（Back-end Chip）、快闪记忆体（Flash RAM）等也可整合成单晶片（SYSTEM-ON-CHIP），以达到降低整机生产
4、成本的目的。正因为此，目前投入研发、生产的厂商较多，美国有30多家，欧洲7家，日本约8家，韩国1家，台湾有8家。而居全球翘楚地位的厂商是Agilent(HP)，其市场占有率51%、ST(VLSI Vision)占16%、Omni Vision占13%、现代占8%、Photobit约占5%，这五家合计市占率达93%。根据In-Stat统计资料显示，CMOS传感器的全球销售额到2004年可望突破18亿美元，CMOS将以62%的年复合成长率快速成长，逐步侵占CCD器件的应用领域。特别是在去年快速发展的手机应用领域中，以CMOS图像传感器为主的摄相模块将占领其80%以上的应用市场。在业界，与CCD传感
5、器不同另一点是CMOS目前占据市场主要地位的是北美厂商，前三大厂商为Agilent、OmniVision和Photobit。因此图像传感器业界的技术、产业竞争，实质上是日本和北美双雄争霸的局面。二图像传感器的发展现状可视信息日趋重要,随着多媒体系统的发展,图像传感器成为人们关注的焦点。眼睛是人类和动物的图像接收器,而图像传感器则是电子设备的图像接收器。图像传感器有两种：线型图像传感器一般用在传真机及扫描仪之类的产品中;面型图像传感器则广泛地用于摄录像机,安全保卫照相机、数码相机及计算机照相机,并开始用于传统上的非视像产品,如移动电话、个人数字助理(PDA)等。面型图像传感器中有CCD和CMOS
6、两种模式。通常,传送优良图像质量的设备都采用CCD图像传感器,而注重功耗和成本的产品则选择CMOS图像传感器。但新的技术正在克服每种器体固有的弱点,同时保留了适合于特定用途的某些特性。目前两种图像传感器仍随着信息、通信、互联网及便携式电子设备的发展而发展。比如,图像传感器在移动电话以及摄录像机和数码相机方面都面对着一个急速成长的市场。欧洲、韩国及日本制造商却关注着带内置照相机的移动电话,它将给图像接收设备创造一个不断成长的市场。CCD图像传感器由在单晶硅基片上呈二维排列的光电二极管及其传送电路构成。光电二极管把光转换成电荷,再经转换电路传送和输出。CCD图像传感器按其传送方法分为两类(图1)。
7、行间传送(IT)型几乎每一像素都有移位寄存器,并把来自光电二极管的图像值送到移位寄存器。CCD用微镜覆盖,以改善占空因素。在帧行间传送(FIT)CCD(有人称之为全帧传送CCD)中,CCD把整整一帧的图像数据送入串行移位寄存器,由它进行未加工原始图像的处理。此外,该系统还把电荷迅速传送进储能器,供横向寄存器进行电荷的连续输出。三洋电子及Philips消费电子公司是两家FIT系统应用到CCD图像传感器的制造商。通常光电二级管均匀排列成矩形点阵,但某些制造商已开发出了不同的设计。几年前,日本富士照相胶卷公司与富士胶卷微器件公司共同开发了Super CCD蜂房传感器技术。这种结构不是传统的纵横向排列
8、,而采用了错列方式,既提高了空间使用率和像素密集度,又符合人类视觉的特点。富士胶卷在其数码相机上采用这一结构,获得了优良的图像质量。今年初公司推出了供数码相机用的质量更高的超级CCD蜂房传感器,独具横向与纵向像素的混合功能,并有信号处理能力,使灵敏度达到ISO1600级。因此,该传感器能以30fps速率摄录VGA移动图像,还能在各种场合包括暗处捕捉图像。采用FIT图像传感器的三洋公司,设计了CCD传感器用芯片级封装(CSP),是最早采用CSP的产品之一。它在2片玻璃板之间夹着CCD基片,并在后续级上备有信号处理LSI(大规模IC)。摄录时钟与输出电路的功耗从5V降为2.8V,从而CCD图像传感
9、器的功耗可与CMOS图像传感器相当。公司正把这种CCD传感器用到电池工作的移动电话中。公司还提供传输速度15fps以下5mW的单独CCD传感器样品。CMOS图像传感器CMOS传感器采用与存储器及逻辑IC同样的互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺。传统上,CMOS传感器的灵敏度较低,在灯光暗淡场合转发的图像质量不佳。因此,即使CMOS传感器的灵敏度较低,且可运用单一电源,但在大批量产品中的应用依然落在了CCD图像传感器的后面。今天情况正在发生变化。CMOS图像传感器除了在移动终端及电子手持或图像设备应用时具有低功耗优势,之外,其灵敏度也取得了新的进展。移动电话极大的市场潜力,促使许多公司跨入CM
10、OS图像传感器领域。夏普是首先进入的公司之一,它为日本移动服务提供商J-Phone开发了一种内置照相机的移动电话机。该产品获得巨大成功,为其他同类制造商铺平了发展道路。器件的图像质量通过工艺与电路技术进步而大获改善,在最低照相机亮度方面的灵敏度尤有改进。东芝公司年初推出了一种VGA级传感器TCM5063T和CIF传感器TCM5073T,在黑暗处摄录较之普通产品,其输出电压只及三分之一,灵敏度高一倍,最低照明亮度只要3勒克斯。它采用的是新开发的低漏泄电源光电二极管。像CCD传感器一样,封装技术是CMOS传感器面临的一大问题,问题在于如何缩小包括信号处理LSI在内的照相机模块尺寸。富士通公司为此开
11、发成功一种CMOS传感器模块尺寸为7.806.984.98mm,体积0.27cc。这种单芯片产品采用了公司自己的凸点芯片载体(BCC-Bump Chip Carrier)封装,这是一种无引线模压线键合的芯片规模封装,采用树脂凸点。不久,公司还将推出另一类传感器模块系列,采用更低漏泄电流的改进工艺技术。图像传感器市场随着技术和应用的迅速发展,中国台湾、韩国、美国及其他地区的半导体制造商也开始进入CMOS图像传感器市场。中国台湾和韩国公司都正加强其CMOS传感器业务活动,台湾的IC Media公司已开发出了一种4勒克斯最低亮度模块,并积极开拓移动电话、PDA、数码相机及其它增长市场。韩国三星电子公
12、司也把其CMOS传感器业务看作支柱产品,正大力招徕日本移动电话制造商。与此同时,日本Seiko Epson公司则得到了Innotech公司关于阈值电压调制图像传感器(VMIS-Voltage Modulation Image Sensor)的授权。VMIS是一种固体传感器,它把CMOS工艺与相当于CCD器件的图像质量结合一起,通过最有效地把光电二极管电荷转换成电荷而达到优质图像质量。过去大多数面型图像传感器(CCD都用作摄录机、汽车监视系统及其他自动检测设备(即所谓“电眼”)。然而,当90年代中期Casio Computer公司推出QV10数码相机后,开辟了一个崭新市场,图像传感器市场正随着数
13、码相机工业的迅速增长而急剧扩大(参见图2)。许多业界人士预料,今年全球数码相机市场即将突破2000万台,成为超过摄录机的主要市场。数码相机技术经过100万像素的机型到200万像素稍后达到了400万像素,今天的顶级机型更高达500万像素,在理论上其图像质量已能与胶卷相机媲美。不过现在主流产品大多还是200万像素左右的照相机。一些制造商正扩充机型,以求大量销售;此外,一些开发商仍继续在像素密度上努力。数码相机市场的特征是地区和主题的竞争,除Eastman Kodak 公司外,数码相机的早期开发商和制造商大多为日本公司,它们的产品行销全球。然而近来中国台湾制造商也正全力抢入这一市场。除了公司之间的竞
14、争外,还有各种产品之间的竞争,眼下,CMOS图像传感器正在争夺CCD早已确立的地位,这一走势始于夏普推出的SH-04模块。CMOS器件小巧省电,对移动式互联网终端的开发商与制造商极具吸引力。竞争的加剧,也迫使CCD制造商加紧了对产品的改进。一些着眼于移动电话市场的制造商正竞相开发小型低功耗CCD照相机模块,另一些则关注CCD传感器的超级图像质量。三洋公司开发的超小型CCD照相机模块,生产能力已达50万块,不久将上升到150万块。富士照相机胶卷公司开发的Super CCD Honey comb除供自己的数码相机用外,还打算进入移动电话市场,前景可观。Cahners In-stat Group的调
15、查表明,2003年后,业界可望从内置相机的移动电话大量上市而获得丰厚的利润。日本市场分析家认为,2003年带内置相机的移动电话将占全球市场的10%,2004年将上升到占20%。总之,数码相机用图像传感器今年可望突破2000万个,明年接近3000万个,2004年将增加到了500万个左右。移动电话用图像传感器发展最快,明年接近2000万个,2004年可望达6000万个。此外,2004年计算机照相机用图像传感器预计可达3500万个,数字摄录机用的1280万个,PDA和手持计算机用的580万个,汽车用的530万个。三CMOS和CCD传感器的工作原理无论是CCD还是CMOS，它们都采用感光元件作为影像捕
16、获的基本手段，CCD/CMOS感光元件的核心都是一个感光二极管（photodiode），该二极管在接受光线照射之后能够产生输出电流，而电流的强度则与光照的强度对应。但在周边组成上，CCD的感光元件与CMOS的感光元件并不相同，前者的感光元件除了感光二极管之外，包括一个用于控制相邻电荷的存储单元，感光二极管占据了绝大多数面积换一种说法就是，CCD感光元件中的有效感光面积较大，在同等条件下可接收到较强的光信号，对应的输出电信号也更明晰。而CMOS感光元件的构成就比较复杂，除处于核心地位的感光二极管之外，它还包括放大器与模数转换电路，每个像点的构成为一个感光二极管和三颗晶体管，而感光二极管占据的面积
17、只是整个元件的一小部分，造成CMOS传感器的开口率远低于CCD（开口率：有效感光区域与整个感光元件的面积比值）；这样在接受同等光照及元件大小相同的情况下，CMOS感光元件所能捕捉到的光信号就明显小于CCD元件，灵敏度较低；体现在输出结果上，就是CMOS传感器捕捉到的图像内容不如CCD传感器来得丰富，图像细节丢失情况严重且噪声明显，这也是早期CMOS传感器只能用于低端场合的一大原因。CMOS开口率低造成的另一个麻烦在于，它的像素点密度无法做到媲美CCD的地步，因为随着密度的提高，感光元件的比重面积将因此缩小，而CMOS开口率太低，有效感光区域小得可怜，图像细节丢失情况会愈为严重。因此在传感器尺寸
18、相同的前提下，CCD的像素规模总是高于同时期的CMOS传感器，这也是CMOS长期以来都未能进入主流数码相机市场的重要原因之一。每个感光元件对应图像传感器中的一个像点，由于感光元件只能感应光的强度，无法捕获色彩信息，因此必须在感光元件上方覆盖彩色滤光片。在这方面，不同的传感器厂商有不同的解决方案，最常用的做法是覆盖RGB红绿蓝三色滤光片，以1：2：1的构成由四个像点构成一个彩色像素（即红蓝滤光片分别覆盖一个像点，剩下的两个像点都覆盖绿色滤光片），采取这种比例的原因是人眼对绿色较为敏感。而索尼的四色CCD技术则将其中的一个绿色滤光片换为翡翠绿色（英文Emerald，有些媒体称为E通道），由此组成新
19、的R、G、B、E四色方案。不管是哪一种技术方案，都要四个像点才能够构成一个彩色像素，这一点大家务必要预先明确。在接受光照之后，感光元件产生对应的电流，电流大小与光强对应，因此感光元件直接输出的电信号是模拟的。在CCD传感器中，每一个感光元件都不对此作进一步的处理，而是将它直接输出到下一个感光元件的存储单元，结合该元件生成的模拟信号后再输出给第三个感光元件，依次类推，直到结合最后一个感光元件的信号才能形成统一的输出。由于感光元件生成的电信号实在太微弱了，无法直接进行模数转换工作，因此这些输出数据必须做统一的放大处理这项任务是由CCD传感器中的放大器专门负责，经放大器处理之后，每个像点的电信号强度
20、都获得同样幅度的增大；但由于CCD本身无法将模拟信号直接转换为数字信号，因此还需要一个专门的模数转换芯片进行处理，最终以二进制数字图像矩阵的形式输出给专门的DSP处理芯片。而对于CMOS传感器，上述工作流程就完全不适用了。CMOS传感器中每一个感光元件都直接整合了放大器和模数转换逻辑，当感光二极管接受光照、产生模拟的电信号之后，电信号首先被该感光元件中的放大器放大，然后直接转换成对应的数字信号。换句话说，在CMOS传感器中，每一个感光元件都可产生最终的数字输出，所得数字信号合并之后被直接送交DSP芯片处理问题恰恰是发生在这里，CMOS感光元件中的放大器属于模拟器件，无法保证每个像点的放大率都保
21、持严格一致，致使放大后的图像数据无法代表拍摄物体的原貌体现在最终的输出结果上，就是图像中出现大量的噪声，品质明显低于CCD传感器。图像传感器尺寸说到CCD的尺寸，其实是说感光器件的面积大小，这里就包括了CCD和CMOS。感光器件的面积越大，也即CCD/CMOS面积越大，捕获的光子越多，感光性能越好，信噪比越低。CCD/CMOS是数码相机用来感光成像的部件，相当于光学传统相机中的胶卷。CCD上感光组件的表面具有储存电荷的能力，并以矩阵的方式排列。当其表面感受到光线时，会将电荷反应在组件上，整个CCD上的所有感光组件所产生的信号，就构成了一个完整的画面。如果分解CCD，你会发现CCD的结构为三层，
22、第一层是“微型镜头”，第二层是“分色滤色片”以及第三层“感光层”。第一层“微型镜头”我们知道，数码相机成像的关键是在于其感光层，为了扩展CCD的采光率，必须扩展单一像素的受光面积。但是提高采光率的办法也容易使画质下降。这一层“微型镜头”就等于在感光层前面加上一副眼镜。因此感光面积不再因为传感器的开口面积而决定，而改由微型镜片的表面积来决定。第二层是“分色滤色片”CCD的第二层是“分色滤色片”，目前有两种分色方式，一是RGB原色分色法，另一个则是CMYK补色分色法这两种方法各有优缺点。首先，我们先了解一下两种分色法的概念，RGB即三原色分色法，几乎所有人类眼镜可以识别的颜色，都可以通过红、绿和蓝
23、来组成，而RGB三个字母分别就是Red, Green和Blue，这说明RGB分色法是通过这三个通道的颜色调节而成。再说CMYK，这是由四个通道的颜色配合而成，他们分别是青（C）、洋红(M)、黄(Y)、黑(K)。在印刷业中，CMYK更为适用，但其调节出来的颜色不及RGB的多。原色CCD的优势在于画质锐利，色彩真实，但缺点则是噪声问题。因此，大家可以注意，一般采用原色CCD的数码相机，在ISO感光度上多半不会超过400。相对的，补色CCD多了一个Y黄色滤色器，在色彩的分辨上比较仔细，但却牺牲了部分影像的分辨率，而在ISO值上，补色CCD可以容忍较高的感光度，一般都可设定在800以上第三层：感光层C
24、CD的第三层是“感光片”，这层主要是负责将穿过滤色层的光源转换成电子信号，并将信号传送到影像处理芯片，将影像还原。传统的照相机胶卷尺寸为35mm，35mm为胶卷的宽度（包括齿孔部分），35mm胶卷的感光面积为36 x 24mm。换算到数码相机，对角长度约接近35mm的，CCD/CMOS尺寸越大。在单反数码相机中，很多都拥有接近35mm的CCD/CMOS尺寸，例如尼康德D100，CCD/CMOS尺寸面积达到23.7 x 15.6，比起消费级数码相机要大很多，而佳能的EOS-1Ds的CMOS尺寸为36 x 24mm，达到了35mm的面积，所以成像也相对较好。现在市面上的消费级数码相机主要有2/3英
25、寸、1/1.8英寸、1/2.7英寸、1/3.2英寸四种。CCD/CMOS尺寸越大，感光面积越大，成像效果越好。1/1.8英寸的300万像素相机效果通常好于1/2.7英寸的400万像素相机(后者的感光面积只有前者的55%)。而相同尺寸的CCD/CMOS像素增加固然是件好事，但这也会导致单个像素的感光面积缩小，有曝光不足的可能。但如果在增加CCD/CMOS像素的同时想维持现有的图像质量，就必须在至少维持单个像素面积不减小的基础上增大CCD/CMOS的总面积。目前更大尺寸CCD/CMOS加工制造比较困难，成本也非常高。因此，CCD/CMOS尺寸较大的数码相机，价格也较高。感光器件的大小直接影响数码相
26、机的体积重量。超薄、超轻的数码相机一般CCD/CMOS尺寸也小，而越专业的数码相机，CCD/CMOS尺寸也越大。基于一种新型CMOS图像传感器的原理及设计金属氧化物半导体元件(Complementary Metal-Oxide Semiconductor，CMOS)图像传感器和电荷耦合元件(Charge Coupled Device，CCD)摄像器件在20年前几乎是同时起步的。CCD是应用在摄影摄像方面的高端技术元件，CMOS则应用于较低影像品质的产品中。 由于CCD器件有光照灵敏度高、噪音低、像素小等优点，所以在过去15年里它一直主宰着图像传感器市场。与之相反，CMOS图像传感器过去存在着像
27、素大，信噪比小，分辨率低这些缺点，一直无法和CCD技术抗衡。但是随着大规模集成电路技术的不断发展，过去CMOS图像传感器制造工艺中不易解决的技术难关现已都能找到相应解决的途径，从而大大改善了CMOS图像传感器的图像质量。1 CMOS有源像素传感器近来CMOS图像传感器受到重视首要原因在于过去大大低于CCD的灵敏度问题逐步得到解决。因为与CCD相比，CMOS传感器具有更好的量产性，而且容易实现包括其他逻辑电路在内的SoC(System on Chip)产品，而这在CCD中却很难实现。尤其是CMoS传感器不像CCD那样需要特殊的制造工艺，因此可直接使用面向DRAM等大批量产品的生产设备。这样一来，
28、CMOS图像传感器就有可能形成完全不同于CCD图像传感器的成本结构。图1示出了有源像素CMOS图像传感器(ActivePixel Sensor，APS)的功能结构图，其中成像部分为光敏二极管阵列(Photo Diode Array)。四场效应管(4T)有源像素CMOS图像传感器的每个像素由光敏二极管、复位管T2、转移管T1、源跟随器T3和行选通开关管T4组成，如图2所示。转移管T1被用来将光敏二极管连接至源跟随器T3，并通过复位管T2与VDD相连。T3的栅极与T1和T2之间的N+扩散区相连。与3T结构的APS相比，减少了与T3的栅极相关的漏电流效应。源跟随器T3的作用是实现对信号的放大和缓冲，
29、改善APS的噪声问题。T4是用来将信号与列总线相连。其工作过程是：首先进入“复位状态”，T2打开，对光敏二极管复位；然后进入“取样状态”，T2关闭，光照射到光敏二极管上产生光生载流子，并通过源跟随器T3放大输出；最后进入“读出状态”，这时行选通管T4打开，信号通过列总线输出。APS具有低读出噪声和高读出速率等优点，但像素单元结构复杂，填充系数降低，填充系数一般只有2030。为了提高像素的填充系数，APS在像素的上方设置了微透镜(Micro-lenses)，如图3所示。由APS阵列所获得的图像信息，经过图1中列模数转换器(Column ADC)转换为数字信号后，再经过一系列的后续处理过程，得到输
30、出如图4所示的帧图像数据结构。2 图像的预处理过程及方法为了得到良好的图像质量，需要对所采集的原始图像数据进行处理。一般上，图像的预处理是在协处理器中完成的。最近，随着SoC技术的发展，可以在CMOS传感器中集成图像预处理功能这正显示了CMOS图像传感器的优势所在。图像的预处理主要包括了缺陷修正、去除FPN噪声、色彩差值，图像锐化差值、光圈修正、Gamma修正等一系列处理。通过数字图像处理算法来实现来实现上述的图像预处理过程，其硬件平台可以是集成在SoC中的图像处理电路、ASIC图像处理芯片，或通用的DSP芯片。首先是消除图像中的缺陷，如果某一个像素中有缺陷，而导致了其输出电平被钳位于高电乎(
31、黑点)或低电平(白点)，就需要通过图像处理来进行弥补。通常是使用其周围相同颜色像素的平均值来代替该像素的输出值。通常情况下，不同列的列模数转换器存在着差异，这就导致了固定模式噪声(fixed Pattern Noise，FPN)的产生。图4中Black Lines中的数据就是用来消除FPN的。协处理器会利用这一部分数据来达到消除FPN的目的。由于每个像素上为某种彩色滤光片，所以要通过色彩差值来得到其余两种色彩信息。Gamma修正是为了消除在电学器件和光学器件之间在信号传输上的非线性效应。从以上的图像处理过程可知，许多算法中使用了差值，这就导致了图像的平滑化，而为了恢复锐利的图像，就需要进行光圈修正。在图像处理中，通过边缘检测而得到的锐化边缘对差值后的平滑图像进行卷积，从而得到锐利的图像。