【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 測(cè)角度，這意味著處理時(shí)間和成本的增加。然而， CMOS 圖像傳感器的工作原理則與 RAM 相似，所有的存儲(chǔ)位均可單獨(dú)讀出。 CMOS 傳感器的二次采樣雖然提供了較低的分辨率，但是幀速率較高；而開窗口則允許隨機(jī)選擇一塊感興趣的區(qū)域。 CMOS 傳感器坐擁高靈敏度、寬動(dòng)態(tài)范圍和低功耗優(yōu)勢(shì) 最新 CMOS 傳感器獲得廣泛應(yīng)用的一個(gè)前提是其所擁有的較高靈敏度、較短曝光時(shí)間和日漸縮小的像素尺寸。像素靈敏度的一個(gè)衡量尺度是填充因子 (感光面積與整個(gè)像素面積之比 )與量子效率 (由轟擊屏幕的光子所生成的電子的數(shù)量 )的乘積。 CCD 傳感器因其技術(shù)的固有特性而擁有一個(gè)很大的填充因子。而在 CMOS 圖像傳感器中，為了實(shí)現(xiàn)堪與 CCD 轉(zhuǎn)換器相媲美的噪聲指標(biāo)和靈敏度水平，人們給 CMOS 圖像傳感器裝配上了有源像素傳感器 (APS)，并且導(dǎo)致填充因子降低，原因是像素表面相當(dāng)大的一部分面積被放大器晶體管所占用，留給光電二極管的可用空間較小。所以， 當(dāng)今 CMOS 傳感器的一個(gè)重要的開發(fā)目標(biāo)就是擴(kuò)大填充因子。賽普拉斯(FillFactory)通過其獲得專利授權(quán)的一項(xiàng)技術(shù)，可以大幅度地提高填充因子，這種技術(shù)可以把一顆標(biāo)準(zhǔn) CMOS 硅芯片最大的一部分面積變?yōu)橐粔K感光區(qū)域。 [nextpage] 另外，對(duì)于一個(gè)典型的工業(yè)用圖象傳感器而言，由于許多場(chǎng)景的拍攝都是在照明條件很差的情況下進(jìn)行的，因此擁有較大的動(dòng)態(tài)范圍將是十分有益的。 CMOS 圖像傳感器通過多斜率操作實(shí)現(xiàn)了這一目標(biāo)：轉(zhuǎn)換曲線由傾度不同的直線部分所組成，它們共同形成了一個(gè)非線性特征曲線。因此，一幅場(chǎng)景的黑暗部分 有可能占據(jù)集成模擬 數(shù)字轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換范圍的很大一部分：轉(zhuǎn)換特征曲線在這里最為陡峭，以實(shí)現(xiàn)高靈敏度和對(duì)比度。特征曲線上半部分的平整化將在圖像的明亮部分捕獲幾個(gè)數(shù)量級(jí)的過度曝光，并以一個(gè)更加細(xì)致的標(biāo)度來表現(xiàn)它們。采用多斜率的方式來運(yùn)作 LUPA4000 將使高達(dá) 90dB 的光動(dòng)態(tài)范圍與一個(gè) 10 位 A/D 轉(zhuǎn)換范圍相匹配。 具有 VGA 分辨率的 IM001 系列 CMOS 圖像傳感器在此基礎(chǔ)上更進(jìn)一步；它們是專為汽車應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。其像素由光電二極管組成，可提供高達(dá) 120dB 的自適應(yīng)動(dòng)態(tài)范圍。面向汽車應(yīng)用的ACM 100 相機(jī)模塊就采 用了這些傳感器，這種相機(jī)模塊據(jù)稱是同類產(chǎn)品中率先面市的全集成化相機(jī)解決方案：該視覺解決方案被看作是面向駕駛者保護(hù)、防撞、夜視支持和輪胎跟蹤導(dǎo)向的未來汽車安全系統(tǒng)的關(guān)鍵元件。 此外，對(duì)于獨(dú)立于電網(wǎng)的便攜式應(yīng)用而言，以低功耗特性而著稱的 CMOS 技術(shù)還具有一個(gè)明顯的優(yōu)勢(shì)： CMOS 圖像傳感器是針對(duì) 5V 和 電源電壓而設(shè)計(jì)的。而 CCD 芯片則需要大約 12V的電源電壓，因此不得不采用一個(gè)電壓轉(zhuǎn)換器，從而導(dǎo)致功耗增加。在總功耗方面，把控制和系統(tǒng)功能集成到 CMOS 傳感器中將帶來另一個(gè)好處：它去除了與其他半導(dǎo)體元件的所有外 部連接線。其高功耗的驅(qū)動(dòng)器如今已遭棄用，這是因?yàn)樵谛酒瑑?nèi)部進(jìn)行通信所消耗的能量要比通過PCB 或襯底的外部實(shí)現(xiàn)方式低得多。 擴(kuò)展光譜靈敏度和提高分辨率是大趨勢(shì) 在現(xiàn)代 CMOS 圖像傳感器中，一個(gè)重要的發(fā)展趨勢(shì)是其光譜靈敏度擴(kuò)展到了近紅外區(qū) NIR(至約1,100nm 的波長(zhǎng) )。配備了 IM001 CMOS 圖像傳感器的汽車應(yīng)用將改善霧穿透力和夜視能力。由于工業(yè)圖像捕獲技術(shù)開始運(yùn)用更多波長(zhǎng)位于 NIR 之中的光源，而且生物技術(shù)也在利用該光譜區(qū)域中的有趣現(xiàn)象，因此，新開發(fā)的 IBIS 5AE1300 傳感器具有 700～ 900nm 的 NIR 靈敏度。 在面向消費(fèi)應(yīng)用的圖像捕獲技術(shù)中，另一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)是繼續(xù)提高分辨率。到 2020 年年中， 70%左右的手機(jī)相機(jī)已具有 VGA 格式分辨率 (640 480 像素 )；但隨后的 2020 年，幾百萬像素的傳感器就將占領(lǐng) 50%的市場(chǎng)份額，而到 2020 年，其市場(chǎng)占有率預(yù)計(jì)將進(jìn)一步攀升至 90%以上。為此，賽普拉斯開發(fā)了一種用于蜂窩電話的 300 萬像素圖像傳感器，該產(chǎn)品采用了 Autobrite 技術(shù)，可進(jìn)行 12 位模擬 /數(shù)字轉(zhuǎn)換，并提供了 72dB 的寬廣動(dòng)態(tài)范圍，而目前市面上的 10 位模擬 /數(shù)字轉(zhuǎn)換器的動(dòng)態(tài)范圍僅為 60dB。逐 行掃描模式中的幀速率高達(dá) 30 幀 /秒，因而可錄制實(shí)況視頻節(jié)目。 在工業(yè)和商業(yè)領(lǐng)域中，這種發(fā)展趨勢(shì)也很明顯：賽普拉斯已推出一款用于 Kodak 數(shù)碼相機(jī)的1,300 萬像素 /35mm 圖像傳感器，另外， 660 萬像素的 IBIS 46600 傳感器正在一種面向弱視人群的自動(dòng)閱讀輔助裝置中證明自己的卓越品質(zhì) —— 它可在一幅完整的標(biāo)準(zhǔn) A4 頁面上提供出色的分辨率。 憑借技術(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成 由于蜂窩電話、數(shù)碼相機(jī)、 MP3 播放機(jī)和 PDA 等傳統(tǒng)分離型功能設(shè)備的加速數(shù)字融合 (即成為一部緊湊的消費(fèi)型電子產(chǎn)品 )，導(dǎo)致人們?cè)絹碓较Ｍ辽倬哂胁糠肿?主性的子系統(tǒng)能夠在一部設(shè)備中提供極為寬泛的功能。這種趨勢(shì)還將對(duì)專業(yè)測(cè)量技術(shù)產(chǎn)生影響：利用包含一個(gè)數(shù)碼相機(jī)、 PDA 用戶接口和 WLAN 聯(lián)網(wǎng)能力的便攜式檢驗(yàn)工具，光測(cè)試和監(jiān)視的應(yīng)用范圍將得到有效的拓展。作為一種平臺(tái)技術(shù)， CMOS 符合這一發(fā)展潮流： CCD 圖像轉(zhuǎn)換器仍然需要采用外部邏輯電路來實(shí)現(xiàn)控制和模擬 /數(shù)字轉(zhuǎn)換功能，而 CMOS 標(biāo)準(zhǔn)邏輯器件則能夠把傳感器、控制器、轉(zhuǎn)換器和評(píng)估邏輯電路等全部集成到一塊芯片之中。 一個(gè)典型的例子如專門針對(duì)要求苛刻的消費(fèi)應(yīng)用而制作的 CYIWCSC1300AA 芯片的圖像捕獲電路。它基于 130 萬像素圖像傳感器 CYIWOSC1300AA 和一個(gè)用于提供誤差插補(bǔ)、黑電平調(diào)整、透鏡校正、信號(hào)互串校正、彩色馬賽克修補(bǔ)、彩色校正、自動(dòng)曝光、噪聲抑制、特效和γ校正等等諸多功能的附加信號(hào)處理器。集成更多的系統(tǒng)功能 (一直到自主型光電傳感器系統(tǒng) )是可行的，這主要取決于諸如市場(chǎng)容量和開發(fā)成本等經(jīng)濟(jì)目標(biāo)和限制因素。 當(dāng)今的 CMOS 圖像轉(zhuǎn)換技術(shù)不僅服務(wù)于“傳統(tǒng)的”工業(yè)圖像處理，而且還憑借其卓越的性能和靈活性而被日益廣泛的新穎消費(fèi)應(yīng)用所接納。此外，它還能確保汽車駕駛時(shí)的高安全性和舒適性。最初， CMOS 圖像傳感器被應(yīng)用 于工業(yè)圖像處理；在那些旨在提高生產(chǎn)率、質(zhì)量和生產(chǎn)工藝經(jīng)濟(jì)性的全新自動(dòng)化解決方案中，它至今仍然是至關(guān)重要的一環(huán)。 據(jù)市場(chǎng)研究 IMS Research 的預(yù)測(cè)，在未來的幾年中，歐洲工業(yè)圖像處理市場(chǎng)的年成長(zhǎng)率將達(dá)到6%，其中，在相機(jī)中集成了軟件功能的智能型解決方案的市場(chǎng)份額將不斷擴(kuò)大。在德國，據(jù)其全國工具機(jī)供應(yīng)商協(xié)會(huì) VDMA 提供的數(shù)據(jù)， 2020 年的圖像處理市場(chǎng)增長(zhǎng)率達(dá)到了 14%。市場(chǎng)調(diào)研 InStat/MDR 亦指出，單就圖像傳感器的次級(jí)市場(chǎng)而言，其年成長(zhǎng)率將高達(dá) 30%以上，而且這種情況將持續(xù)到 2020 年。最為重要的 是： CMOS 傳感器的成長(zhǎng)速度將達(dá)到 CCD 傳感器的七倍，照相手機(jī)和數(shù)碼相機(jī)的迅速普及是這種需求的主要推動(dòng)因素。 顯然，人們?nèi)绱丝春?CMOS 圖像轉(zhuǎn)換器的成長(zhǎng)前景是基于這樣一個(gè)事實(shí)，即：與壟斷該領(lǐng)域長(zhǎng)達(dá) 30 多年的 CCD 技術(shù)相比，它能夠更好地滿足用戶對(duì)各種應(yīng)用中新型圖像傳感器不斷提升的品質(zhì)要求，如更加靈活的圖像捕獲、更高的靈敏度、更寬的動(dòng)態(tài)范圍、更高的分辨率、更低的功耗以及更加優(yōu)良的系統(tǒng)集成等。此外， CMOS 圖像轉(zhuǎn)換器還造就了一些迄今為止尚不能以經(jīng)濟(jì)的方式來實(shí)現(xiàn)的新穎應(yīng)用。另外，還有一些有利于 CMOS 傳感器的“軟” 標(biāo)準(zhǔn)在起作用，包括：應(yīng)用支持、抗輻射性、快門類型、開窗口和光譜覆蓋率等。不過，這種區(qū)別稍帶幾分任意性，因?yàn)檫@些標(biāo)準(zhǔn)的重要程度將由于應(yīng)用的不同 (消費(fèi)、工業(yè)或汽車 )而發(fā)生變化。 細(xì)節(jié)表現(xiàn)中所面臨的難題 就像我們從模擬攝影所獲知的那樣，拍攝一幅完整場(chǎng)景的照片是一件相當(dāng)普通的事情，照相手機(jī)同樣如此。但是，對(duì)于工業(yè)或汽車應(yīng)用來說，情況就大不一樣了：有些場(chǎng)合并不需要很高的全幀數(shù)據(jù)速率。比如，在監(jiān)控?cái)z像機(jī)中，只要能夠發(fā)現(xiàn)一幅場(chǎng)景中出現(xiàn)的變化（因?yàn)檫@種變化可能預(yù)示著某種可疑情況），那么分辨率低一點(diǎn)也是完全可以接受的。在此基 礎(chǔ)之上才需要借助全分辨率來采集更多的細(xì)節(jié)信息。跟著發(fā)生的動(dòng)作將只在攝像機(jī)視場(chǎng)的某一部分當(dāng)中進(jìn)行播放，而且，在所捕獲的場(chǎng)景中，只有這一部分才是監(jiān)控人員所關(guān)注的。 對(duì)于只提供全幀圖像的 CCD 圖像傳感器而言，只有采用一個(gè)分離的評(píng)估電路才能夠提供兩個(gè)觀測(cè)角度，這意味著處理時(shí)間和成本的增加。然而， CMOS 圖像傳感器的工作原理則與 RAM 相似，所有的存儲(chǔ)位均可單獨(dú)讀出。 CMOS 傳感器的二次采樣雖然提供了較低的分辨率，但是幀速率較高；而開窗口則允許隨機(jī)選擇一塊感興趣的區(qū)域。 CMOS 傳感器坐擁高靈敏度、寬動(dòng)態(tài)范圍和低功耗優(yōu) 勢(shì) 最新 CMOS 傳感器獲得廣泛應(yīng)用的一個(gè)前提是其所擁有的較高靈敏度、較短曝光時(shí)間和日漸縮小的像素尺寸。像素靈敏度的一個(gè)衡量尺度是填充因子 (感光面積與整個(gè)像素面積之比 )與量子效率 (由轟擊屏幕的光子所生成的電子的數(shù)量 )的乘積。 CCD 傳感器因其技術(shù)的固有特性而擁有一個(gè)很大的填充因子。而在 CMOS 圖像傳感器中，為了實(shí)現(xiàn)堪與 CCD 轉(zhuǎn)換器相媲美的噪聲指標(biāo)和靈敏度水平，人們給 CMOS 圖像傳感器裝配上了有源像素傳感器 (APS)，并且導(dǎo)致填充因子降低，原因是像素表面相當(dāng)大的一部分面積被放大器晶體管所占用，留給光電二極管的可用空間較小。所以，當(dāng)今 CMOS 傳感器的一個(gè)重要的開發(fā)目標(biāo)就是擴(kuò)大填充因子。賽普拉斯(FillFactory)通過其獲得專利授權(quán)的一項(xiàng)技術(shù)，可以大幅度地提高填充因子，這種技術(shù)可以把一顆標(biāo)準(zhǔn) CMOS 硅芯片最大的一部分面積變?yōu)橐粔K感光區(qū)域。 [nextpage] 另外，對(duì)于一個(gè)典型的工業(yè)用圖象傳感器而言，由于許多場(chǎng)景的拍攝都是在照明條件很差的情況下進(jìn)行的，因此擁有較大的動(dòng)態(tài)范圍將是十分有益的。 CMOS 圖像傳感器通過多斜率操作實(shí)現(xiàn)了這一目標(biāo)：轉(zhuǎn)換曲線由傾度不同的直線部分所組成，它們共同形成了一個(gè)非線性特征曲線。因此，一 幅場(chǎng)景的黑暗部分有可能占據(jù)集成模擬 數(shù)字轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換范圍的很大一部分：轉(zhuǎn)換特征曲線在這里最為陡峭，以實(shí)現(xiàn)高靈敏度和對(duì)比度。特征曲線上半部分的平整化將在圖像的明亮部分捕獲幾個(gè)數(shù)量級(jí)的過度曝光，并以一個(gè)更加細(xì)致的標(biāo)度來表現(xiàn)它們。采用多斜率的方式來運(yùn)作 LUPA4000 將使高達(dá) 90dB 的光動(dòng)態(tài)范圍與一個(gè) 10 位 A/D 轉(zhuǎn)換范圍相匹配。 具有 VGA 分辨率的 IM001 系列 CMOS 圖像傳感器在此基礎(chǔ)上更進(jìn)一步；它們是專為汽車應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。其像素由光電二極管組成，可提供高達(dá) 120dB 的自適應(yīng)動(dòng)態(tài)范圍。面向汽車應(yīng)用的ACM 100 相機(jī)模塊就采用了這些傳感器，這種相機(jī)模塊據(jù)稱是同類產(chǎn)品中率先面市的全集成化相機(jī)解決方案：該視覺解決方案被看作是面向駕駛者保護(hù)、防撞、夜視支持和輪胎跟蹤導(dǎo)向的未來汽車安全系統(tǒng)的關(guān)鍵元件。 此外，對(duì)于獨(dú)立于電網(wǎng)的便攜式應(yīng)用而言，以低功耗特性而著稱的 CMOS 技術(shù)還具有一個(gè)明顯的優(yōu)勢(shì)： CMOS 圖像傳感器是針對(duì) 5V 和 電源電壓而設(shè)計(jì)的。而 CCD 芯片則需要大約 12V的電源電壓，因此不得不采用一個(gè)電壓轉(zhuǎn)換器，從而導(dǎo)致功耗增加。在總功耗方面，把控制和系統(tǒng)功能集成到 CMOS 傳感器中將帶來另一個(gè)好處：它去除了與其他半 導(dǎo)體元件的所有外部連接線。其高功耗的驅(qū)動(dòng)器如今已遭棄用，這是因?yàn)樵谛酒瑑?nèi)部進(jìn)行通信所消耗的能量要比通過PCB 或襯底的外部實(shí)現(xiàn)方式低得多。 擴(kuò)展光譜靈敏度和提高分辨率是大趨勢(shì) 在現(xiàn)代 CMOS 圖像傳感器中，一個(gè)重要的發(fā)展趨勢(shì)是其光譜靈敏度擴(kuò)展到了近紅外區(qū) NIR(至約1,100nm 的波長(zhǎng) )。配備了 IM001 CMOS 圖像傳感器的汽車應(yīng)用將改善霧穿透力和夜視能力。由于工業(yè)圖像捕獲技術(shù)開始運(yùn)用更多波長(zhǎng)位于 NIR 之中的光源，而且生物技術(shù)也在利用該光譜區(qū)域中的有趣現(xiàn)象，因此，新開發(fā)的 IBIS 5AE1300 傳感器具 有 700～ 900nm 的 NIR 靈敏度。 在面向消費(fèi)應(yīng)用的圖像捕獲技術(shù)中，另一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)是繼續(xù)提高分辨率。到 2020 年年中， 70%左右的手機(jī)相機(jī)已具有 VGA 格式分辨率 (640 480 像素 )；但隨后的 2020 年，幾百萬像素的傳感器就將占領(lǐng) 50%的市場(chǎng)份額，而到 2020 年，其市場(chǎng)占有率預(yù)計(jì)將進(jìn)一步攀升至 90%以上。為此，賽普拉斯開發(fā)了一種用于蜂窩電話的 300 萬像素圖像傳感器，該產(chǎn)品采用了 Autobrite 技術(shù)，可進(jìn)行 12 位模擬 /數(shù)字轉(zhuǎn)換，并提供了 72dB 的寬廣動(dòng)態(tài)范圍，而目前市面上的 10 位模擬 /數(shù)字轉(zhuǎn)換器的動(dòng)態(tài)范圍 僅為 60dB。逐行掃描模式中的幀速率高達(dá) 30 幀 /秒，因而可錄制實(shí)況視頻節(jié)目。 在工業(yè)和商業(yè)領(lǐng)域中，這種發(fā)展趨勢(shì)也很明顯：賽普拉斯已推出一款用于 Kodak 數(shù)碼相機(jī)的1,300 萬像素 /35mm 圖像傳感器，另外， 660 萬像素的 IBIS 46600 傳感器正在一種面向弱視人群的自動(dòng)閱讀輔助裝置中證明自己的卓越品質(zhì) —— 它可在一幅完整的標(biāo)準(zhǔn) A4 頁面上提供出色的分辨率。 憑借技術(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成 由于蜂窩電話、數(shù)碼相機(jī)、 MP3 播放機(jī)和 PDA 等傳統(tǒng)分離型功能設(shè)備的加速數(shù)字融合 (即成為一部緊湊的消費(fèi)型電子產(chǎn)品 )，導(dǎo)致人們?cè)絹碓较?望至少具有部分自主性的子系統(tǒng)能夠在一部設(shè)備中提供極為寬泛的功能。這種趨勢(shì)還將對(duì)專業(yè)測(cè)量技術(shù)產(chǎn)生影響：利用包含一個(gè)數(shù)碼相機(jī)、 PDA 用戶接口和 WLAN 聯(lián)網(wǎng)能力的便攜式檢驗(yàn)工具，光測(cè)試和監(jiān)視的應(yīng)用范圍將得到有效的拓展。作為一種平臺(tái)技術(shù)， CMOS