來源:CPS中安網 作者:張克非
隨著各式消費性電子的興起,圖像感測器已成為半導體業中最耀眼的明星產品之一,而在圖像感測器中,CCD感測器與新興成長的 CMOS Sensor也逐漸找到自己的應用市場,希望成為市場上的主流技術。
CMOS圖像感測器與CCD感測器相比具有感光度低、信噪比高的缺點,但是其仍具有低功耗、低成本等優點。針對全球Image Sensor (影像感測器) IC元件市場分析,2010年全球Image Sensor 元件應用市場規模為7.1億美元,在經過金融風暴的影響後,仍持續呈現正成長趨勢。TRI預估在2012年Image Sensor市場之規模將近8.5億美元;Image Sensor市場占比尤以CMOS Sensor之比重為高,平均占比約在9成左右。
CMOS和CCD圖像感測器概述
針對CMOS
Sensor市場規模分析,2010年CMOS Sensor 元件整體市場規模為6.3億美元,占整體Image Sensor市場89%,整體市場趨勢平均維持90%的區間範圍。而在各項消費性電子搭載的滲透率偏高的狀態下,未來成長幅度趨緩進入產業成長成熟期,TRI預估CMOS Sensor在2011年年成長率為13%,未來將追求在技術圖元,及製造成本上的進步。
CMOS Sensor為攝影機模組應用市場,最重要的影像感測器應用元件,其中應用占比最高的為通訊電子商品,占整體CMOS Sensor市場的70%,而CMOS
Sensor市場的主要應用包括安全系統、車用系統、PC相關周邊應用、數位相機等。iPad帶動的平板電腦市場是CMOS Sensor成長最快的應用市場。
監控攝影機的應用市場占圖像感測器市場值1成之間,過去多使用CCD作為影像感測器,近年來CMOS Sensor的性能不斷提升,開始打入長久為CCD Sensor獨佔的市場,主要偏向較低價的監控攝影機。
CCD與CMOS的技術特點
CCD與CMOS的技術特點主要在於成像過程、整合集成度、功耗、性能指標等方面。
成像過程
CCD和CMOS使用相同的光敏材料,因而受光後產生電子的基本原理相同,但是讀取過程不同:CCD是在同步信號和時鐘信號的配合下以幀或行的方式轉移,整個電路非常複雜,讀出速率慢;CMOS則以類似DRAM的方式讀出信號,電路簡單,讀出速率高。
整合集成度
採用特殊製造工藝的CCD讀出電路比較複雜,很難將A/D轉換、信號處理、自動增益控制、精密放大和儲存功能集成到一塊晶片上,一般需要多個晶片組合實現,同時還需要一個多通道非標準供電電壓。借助于大規模集成製造工藝,CMOS圖像感測器能非常容易地把上述功能集成到單一晶片上,多數CMOS圖像感測器同時具有類比和數位輸出信號。
電 源、功 耗 和 體 積
CCD需多種電源供電,功耗較大,體積也比較大。CMOS只需一個單電源(3V~5V)供電,其功耗相當於CCD的1/10,高度集成CMOS晶片可以做的相當小。
性能指標
CCD技術已經相當成熟,而CMOS正處於蓬勃發展時期,雖然目前高端CMOS圖像品質暫時不如CCD,但有些指標(如傳輸速率等方面)已超過CCD。由於CMOS具有諸多優點,全世界許多影音產品製造廠商,已經應用CMOS圖像感測器開發出眾多產品。
CMOS感測器關鍵技術取得突破
CMOS感測器的技術發展跟隨摩爾定律快速發展,尤其是幾年來在市場需求的推動下,關鍵技術不斷取得突破。對於用戶關注的CMOS的照度和噪點等問題,實際上可見光下CMOS的信噪比遠高於CCD。
一方面,隨著國際CMOS大廠的不斷改進,CMOS還繼續在成像的通透性、對實物的色彩還原能力等方面迎頭趕上。研發了感光度增強技術,進而通過使用大尺寸感測器提高開口率,這正是提高CMOS感光能力的最直接辦法。即便是在噪音控制方面,有公司將專門的雜訊檢測演算法,直接整合於CMOS圖像感測器的控制邏輯中。通過這項技術,固定雜訊就可以成功剔除了。更何況CMOS的價格遠低於CCD設備。另一方面,在ISP中採用多種技術革新,如去噪技術來提升CMOS的噪點問題。
此外,從工藝上來講,CCD每提升100萬像素就需要對其生產線進行改造,研發生產的成本比較高。如果CCD尺寸仍然維持在2/3英寸的話,單位電極的間隙就被限制在0.4微米以內,進而導致製造中產生的損品率與生產成本大幅度攀升。
在各主力廠商的不斷努力下,新的CMOS器件不斷推陳出新,高動態範圍CMOS器件已經出現,這一技術消除了對快門、光圈、自動增益控制及伽瑪校正的需要。另外由於CMOS先天的可塑性,可以做出高解析度畫素的大型CMOS感光器,但成本卻不上升多少。
相對於CCD的停滯不前相比,CMOS作為新生事物而展示出了蓬勃的活力。CMOS圖像感測器正在向高解析度、高動態範圍、高靈敏度、數位化、多功能化的多元化的細分市場發展。隨著CMOS圖像感測器技術的不斷進度,CMOS感測器在安防攝影機的應用會不斷增大。
ISP是CMOS和CCD攝像機中的重要搭配零組件,ISP主要負責對感測器中出來的圖像資料進行後處理。直接從感測器中得到的圖像是很糟糕的,不論色彩還是細節都與實際圖像有很大差距,只能看到圖像的中物體的大致輪廓。
經過ISP的處理,包括內插、去噪、去壞點、邊緣加強、膚色矯正、白平衡等操作後,可以使圖像變的更加細膩,更加貼近真實世界中的圖像。ISP的主要功能包括線性糾正、雜訊去除、壞點去除、內插、白平衡、自動曝光控制等。
隨著CMOS感測器和ISP晶片技術的快速進步,廣大攝影機廠家將會有更多的功能豐富的方案選擇,CMOS感測器在監控攝影機中,將會得到越來越多的應用。