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【工业品】介绍一些关于图像传感器的基本知识

2018-09-26 浏览量:7

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  图像传感器是传感技术中最主要的一个分支,广泛应用于各种领域,它是PC机多媒体大世界今后不可缺少的外设,也是保安监控产业中最核心的器件,包括光电鼠标、支持数码照相技术的手机以及消费电子、医药和工业市场中的各种新应用。每种应用都有其独特的客户期望、技术挑战和系统要求。

  图像传感器根据元件不同分为CCD、CMOS。

  CMOS图像传感器和CCD摄像器件在20年前几乎是同时起步的。CCD(Charge Coupled Device,电荷耦合元件)是应用在摄影摄像方面的高端技术元件,CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor,金属氧化物半导体元件)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。目前CMOS单元面积的像素数已可与CCD单元面积的像素数相比,从而使CMOS图像传感器也可以做到高分辨率。如果能将CMOS黑白与彩色图像传感器的信噪比再提高10dB,光照灵敏度再提高4~5倍,那么CMOS图像传感器取代CCD器件就指日可待了。如果再考虑到CMOS图像传感器具有体积小、功耗低、高集成这些过去没有得到充分发挥的优点,在今后都能得到充分发挥,那么一个崭新的图像技术时代即将来临。据保守的估计,到2002年,CCD图像器件市场的一半将被CMOS图像传感器取代。

  CCD:电荷藕合器件图像传感器CCD(Charge Coupled Device),它使用一种高感光度的半导体材料制成,能把光线转变成电荷,通过模数转换器芯片转换成数字信号,数字信号经过压缩以后由相机内部的闪速存储器或内置硬盘卡保存,因而可以轻而易举地把数据传输给计算机,并借助于计算机的处理手段,根据需要和想像来修改图像。CCD由许多感光单位组成,通常以百万像素为单位。当CCD表面受到光线照射时,每个感光单位会将电荷反映在组件上,所有的感光单位所产生的信号加在一起,就构成了一幅完整的画面。

  CMOS:互补性氧化金属半导体CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor)和CCD一样同为在数码相机中可记录光线变化的半导体。CMOS的制造技术和一般计算机芯片没什么差别,主要是利用硅和锗这两种元素所做成的半导体,使其在CMOS上共存着带N(带?C电) 和 P(带+电)级的半导体,这两个互补效应所产生的电流即可被处理芯片纪录和解读成影像。然而,CMOS的缺点就是太容易出现杂点, 这主要是因为早期的设计使CMOS在处理快速变化的影像时,由于电流变化过于频繁而会产生过热的现象。

  CIS(Contact Image Sensor):接触式图像传感器于八十年代末应运而生,它是由CMOS工艺制作的传感器IC组成阵列,阵列的长度与原稿相同,光路由CIS本体决定,具有体积小、光路短等特点,组成的系统体积也小,而且安装简单,不需要调整光路,解决了图像光学信号均匀性和部件体积问题,便于实现产品的小型化。

  CCD的优势在于成像质量好,但是由于制造工艺复杂,只有少数的厂商能够掌握,所以导致制造成本居高不下,特别是大型CCD,价格非常高昂。在相同分辨率下,CMOS价格比CCD便宜,但是CMOS器件产生的图像质量相比CCD来说要低一些。到目前为止,市面上绝大多数的消费级别以及高端数码相机都使用CCD作为感应器;CMOS感应器则作为低端产品应用于一些摄像头上,若有哪家摄像头厂商生产的摄想头使用CCD感应器,厂商一定会不遗余力地以其作为卖点大肆宣传,甚至冠以“数码相机”之名。一时间,是否具有CCD感应器变成了人们判断数码相机档次的标准之一。

  CMOS影像传感器的优点之一是电源消耗量比CCD低,CCD为提供优异的影像品质,付出代价即是较高的电源消耗量,为使电荷传输顺畅,噪声降低,需由高压差改善传输效果。但CMOS影像传感器将每一画素的电荷转换成电压,读取前便将其放大,利用3.3V的电源即可驱动,电源消耗量比CCD低。CMOS影像传感器的另一优点,是与周边电路的整合性高,可将ADC与讯号处理器整合在一起,使体积大幅缩小。

  从产品的技术发展趋势看,无论是CCD还是CMOS,其体积小型化及高像素化仍是业界积极研发的目标。因为像素大则图像产品的分辨率越高,清晰度越好,体积越小,其应用面更广泛。

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