圖像傳感器的發(fā)展及應用現(xiàn)狀

文/Joost Seijnaeve

隨著安防監(jiān)控市場的飛速發(fā)展，對CMOS圖像傳感器（CIS）需求也越來越大。CIS芯片集光電、模擬電路和數(shù)字電路于一體，其設計、生產(chǎn)、測試、封裝以及最終應用與傳統(tǒng)IC相比，技術門檻相對較高。本文簡要介紹圖像傳感器的技術的特點及應用情況。

圖像傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀

圖像傳感器的視訊比現(xiàn)在是給定的，使用高清(HD)分辨率1080p，攝像機設計正朝使用更小的光學格式發(fā)展，導致需要更小的像素結構，以降低整體系統(tǒng)成本，同時不影響圖像性能或光靈敏度。

CCD圖像傳感器由于靈敏度高、噪聲低，逐步成為圖像傳感器的主流。但由于工藝上的原因，敏感元件和信號處理電路不能集成在同一芯片上，造成由CCD圖像傳感器組裝的攝像機體積大、功耗大。CMOS圖像傳感器以其體積小、功耗低在圖像傳感器市場上獨樹一幟。但最初市場上的CMOS圖像傳感器，一直沒有擺脫光照靈敏度低和圖像分辨率低的缺點，圖像質量還無法與CCD圖像傳感器相比。

如果把CMOS圖像傳感器的光照靈敏度再提高5倍～10倍，把噪聲進一步降低，CMOS圖像傳感器的圖像質量就可以達到或略微超過CCD圖像傳感器的水平，同時能保持體積小、重量輕、功耗低、集成度高、價位低等優(yōu)點，如此，CMOS圖像傳感器就會取代CCD圖像傳感器，并且發(fā)展出更好的功效。

由于CMOS圖像傳感器的應用，新一代圖像系統(tǒng)的開發(fā)研制得到了極大的發(fā)展，并且隨著經(jīng)濟規(guī)模的形成，其生產(chǎn)成本也得到降低?，F(xiàn)在，CMOS圖像傳感器的畫面質量也能與CCD圖像傳感器相媲美，這主要歸功于圖像傳感器芯片設計的改進，以及亞微米和深亞微米級設計增加了像素內部的新功能。實際上，更確切地說，CMOS圖像傳感器應當是一個圖像系統(tǒng)。一個典型的CMOS圖像傳感器通常包含：一個圖像傳感器核心（是將離散信號電平多路傳輸?shù)揭粋€單一的輸出，這與CCD圖像傳感器很相似），所有的時序邏輯、 單一時鐘及芯片內的可編程功能，比如增益調節(jié)、積分時間、窗口和模數(shù)轉換器。事實上，當一位設計者購買了CMOS圖像傳感器后，他得到的是一個包括圖像陣列邏輯寄存器、存儲器、定時脈沖發(fā)生器和轉換器在內的全部系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的CCD圖像系統(tǒng)相比，把整個圖像系統(tǒng)集成在一塊芯片上不僅降低了功耗，而且具有重量較輕，占用空間減少以及總體價格更低的優(yōu)點。

作為基于半導體方案的領先供應商，安森美半導體在圖像傳感器領域擁有超過40年的經(jīng)驗和世界上最多、最廣的相關傳感器專利超過2,000項，特別是因特網(wǎng)協(xié)議(IP)安全攝像機在全球占第一位，而整體安防攝像機占第二，所以能為客戶提供全面的圖像傳感器產(chǎn)品陣容，以領先市場的器件提供高動態(tài)范圍和高幀率帶來性價比優(yōu)越的方案，同時利用公司開發(fā)的其它產(chǎn)品和技術以支持并增強圖像傳感器用于安防應用。

安森美半導體專有的雙轉換增益3.0微米(μm)DR-PixTM像素技術用于增強低光照性能，及將動態(tài)范圍拓寬至最大105dB。DR-PixTM技術像素提供兩種模式：低轉換增益模式，優(yōu)化用于在明亮環(huán)境下提供更大的電荷處理能力；高轉換增益模式，在低光照環(huán)境下提供更高的靈敏度及更低的讀取噪聲。其它特性還包括全局復位釋放快門模式、先進的板載統(tǒng)計引擎、高速可配置環(huán)境切換、自動黑電平校準(BLC)、片上鎖相環(huán)(PLL)及溫度傳感器。

CMOS圖像傳感器

近年來，隨著CMOS工藝技術的不斷改進，CMOS傳感器的應用范圍也越來越廣泛，包括數(shù)碼相機、電腦攝像頭、視頻電話、手機、視頻會議、智能型安保系 統(tǒng)、汽車倒車視像雷達、玩具，以及工業(yè)、醫(yī)療等應有盡有。實際上，CMOS圖像傳感器最初應用于工業(yè)圖像處理；在那些旨在提高生產(chǎn)率、質量和生產(chǎn)工藝經(jīng)濟 性的全新自動化解決方案中，它至今仍然是至關重要的圖像解決方案。

隨著應用要求的不斷提升，CMOS傳感器的成像質量也在不斷提高，安森美半導體利用其在這一領域的專利技術和豐富的經(jīng)驗，以創(chuàng)新的設計，采用標準CMOS工藝技術開發(fā)出了高性能CMOS有源像素傳感器等多種產(chǎn)品。

安森美半導體最新的一款圖像傳感器AR0230CS是1/2.7英寸光學制式器件，帶105 dB動態(tài)范圍，結合業(yè)界領先的低光照功能及優(yōu)異的近紅外線(NIR)性能。

對于尋求升級現(xiàn)有720p因特網(wǎng)協(xié)議(IP)攝像機設計的安防攝像機制造商而言，AR0230CS以集成高動態(tài)范圍(HDR)支持的1/2.7英寸210萬像素CMOS傳感器，提供高品質1080p(1920x1088分辨率)視頻。這圖像傳感器能夠以每秒60幀 (fps)的速率捕獲高清(HD)1080p視頻數(shù)據(jù)。它包含集成的HDR視頻支持，帶優(yōu)化的運動補償、高級局部色調映射(ALTM)及數(shù)字側向溢流(digital lateral overflow, DLO)，以將運動偽像減至最少，及優(yōu)化HDR色彩再現(xiàn)。這完整的HDR功能確保新的HDR1080p相機設計加快上市進程。此外，AR0230CS提供交錯式T1/T2輸出，用于使用第三方網(wǎng)絡服務供應商(ISP) HDR支援的客戶。

安森美半導體最近獲全球視頻監(jiān)控市場領袖?？低暋白罴褢?zhàn)略合作伙伴”獎的表彰，這是該企業(yè)連續(xù)第3年獲這一殊榮。過去六年，安森美半導體向?？低曁峁┝烁咂焚|的圖像傳感器，用于安防攝像機，包括新的210萬像素的圖像傳感器，它結合了業(yè)界領先的微光能力和出色的近紅外性能，并提供1080p的高動態(tài)范圍的視頻數(shù)據(jù)。安森美半導體提供對多重終端市場的完整的一維和二維CMOS圖像傳感器產(chǎn)品，其中既有系列標準圖像傳感器，也有定制及專用產(chǎn)品。今后，安森美將繼續(xù)推動高品質的圖像傳感器用于全球安防監(jiān)控領域。

結束語

圖像傳感器在安防領域的技術發(fā)展趨勢在很多方面來看，整體市場正邁向更低成本的方案，同時不能犧牲圖像性能。而高清(HD)分辨率的使用（當前是1080p，未來可能更高），視訊比現(xiàn)在是給定的，需要不斷降低整體系統(tǒng)成本推動著攝像機設計邁向使用更小的光學格式，這導致需要更小的像素結構，以成本有效的方式來達到這些分辨率，而不影響圖像性能或光靈敏度。這一整體趨勢也適用于圖像壓縮協(xié)處理器的發(fā)展，因而也需要開發(fā)和使用較小的設計和制造節(jié)點。