1、图像传感器在民用领域的发展趋势 杨蛟 2013032040 （成都信息工程大学 光电技术学院 光信 131） 摘要 本文介绍了 CCD、 CMOS 以及 CIS 图像传感器的原理，分析了各传感器近年来在国内外的发展趋势的发展趋势。 关键词 CCD； CMOS;CIS 图像传感器；数字摄像 ;发展趋势。 图像传感器属于光电产业里的光电元件类，随着数码技术、半导体制造技术以及网络的迅速发展，目前市场和业界都面临着跨越各平台的视讯、影音、通讯大整合时代的到来，勾划着未来人类的日常生活的美景。以其在日常生活中的应用，无疑要属数码相机产品，其发展速度可以用日新月异来形容。短短的几年， 数码相机就由几十万
2、像素，发展到、万像素甚至更高。不仅在发达的欧美国家，数码相机已经占有很大的市场，就是在发展中的中国，数码相机的市场也在以惊人的速度在增长，因此，其关键零部件 图像传感器产品就成为当前以及未来业界关注的对 象，吸引着众多厂商投入。以产品类别区分，图像传感器产品主要分为、以及传感器三种。 一、 传感器行业报告特点 图象传感器行业环境：我们的环境分析主要包括国外相关行业发展现状和趋势、行业相关政策法规整理以及国内宏观经济发展现状等。 图象传感器行业结构：我们行业结构分析主要包括产品市场消费需求结构、行业投资主体性质结构以及行业生产主体结构等等。 图象 传感器行业市场：我们的行业市场分析对行业产品整个
3、供求状态以数据或文字方式表述、对行业市场现状呈现的特点进行概述，并对行业市场未来发展趋势进行科学预测。 图象传感器行业企业：我们的行业企业分析主要包括行业企业发展历程、企业组织结构、企业相关财务数据和指标、企业竞争优劣势分析等。 图象传感器行业成长性：我们的行业成长性分析主要包括行业所属生命周期的位置，行业投资增长性，行业近几年发展速度情况以及未来市场增长速度等 。 二、 像传感器研究背景发展及国内外现状 (一 )、 CCD图像传感器研究背景 CCD（ Charge Coupled Device）即电荷耦合器件，它是 20世纪 70年代初发展起来的新型半导体光电成像器件，首先由美国贝尔电话实验
4、室的 W.S.Boyle和 G.E.Smith于 1970年首先提出了 CCD的概念，在经历了一段时间的研究之后，建立了以一维势阱模型为基础的非稳态 CCD的基本理论。近 30多年来，随着新型半导体材料的不断涌现和器件微细化技术的日趋完备， CCD器件及其应用技术得到了较快的发展，取得了惊人的进步。 目前 CCD应用技术已成为集光学、电子学、精密机械与计算机技术为一体的综合性 技术，在现代光子学、光电检测技术和现代测试技术领域中成果累累，方兴未艾。而 CCD传感器无论是线阵还是面阵结构，其中都混杂有各种噪声或干扰成分，这极大地影响了 CCD在高精度测量领域中的应用 1。因此降低噪声成为改善成像
5、系统的一个首要任务。相应的，如何精确地简便地测出 CCD的噪声也变得极为重要 (二 )、 CCD传感器的国内外研究现状 目前， CCD 图像传感器的生产主要集中在日本的索尼、东芝、松下、滨松、夏普、三洋、富士、奥林巴斯、NEC、加拿大的达尔萨和美国的柯达等公司。当前各 CCD 生产厂商和数码相机、摄像机厂商之间像素和照片质量的竞争 , 实质是缩小像素面积的竞争。自 1987年以来， CCD图像传感器的像素面积以每年 20%的速度缩小，目前像素面积已经小于错误！未找到引用源。从目前 CCD技术的发展趋势来看， CCD将向高分辨力、高速度、微型化、多光谱、紫外、 X射线、红外等方向发展。近几年，数
6、码相机和微型摄像机的发展过程中， CCD和 CMOS图像传感器相互竞争。总的来看，在军用领域， CCD使用的较多；在民用领域， CMOS图像传感器与 CCD之间的竞争相当激烈，重点是制作工艺、功耗、集成度和成本。 在竞争的过程中 , CCD和 CMOS图像传感器的研制和开发厂商不断推出新品。从 CMOS与 CCD目前的应用、技术发展以及未来的发展趋势看， CMOS图像传感器可能成为主流。 CMOS 固体摄像器件与 90%的半导体器件都采用相同标准的芯片制造技术，而 CCD 则需要一种特殊的制造工艺，故 CCD的制造成本高很多。 微光探测方面，市场上已推出了 910 lx，水平分辨率大于 700
7、TV线，动态范围 4000:1的 CCD像机。德国 B&M光谱公司出售的制冷 CCD像机，在 15 (液氮制冷 )下灵敏度达 1110 lm，动态范围 16000:1，是光谱分析、 X射线分析、遥感摄像等极好的工具。 在图像传感方面，目前还是以低性能的 CCD(即线阵 CCD和 30万像素以下的面阵 CCD)为主，多用于办公自动化方面的传真机、复印机、摄影机等；工业方面的机器人视觉、热影分析、安全监视、工业监控等；社会生活方面的家庭摄录一体化、汽车后视镜、门视镜等；军事方面的成像制导和跟踪、微光夜视、光电侦察、可视电话等。至于高性能的 CCD多用于医疗、高清晰度电视、电视摄像以及天文学、卫星遥
8、感等领域。 对于 CCD来说，随着大规模、超大规模集成工艺的进展， CCD不仅研 究水平不断提高，阵列元素不断增加，CCD摄像机的性能越来越好，而且更重要的是 CCD芯片的成品率不断提高，摄像机的价格大幅度下降， CCD摄像机的价格较之管式摄像机的价格平均要低 20% 60%。又如俄罗斯机器人综合研究所推出的一种 CCD像机能在微光中拍摄并分辨出比人的头发丝还细的物体，其售价只有同类管式摄像机的 1/3。价格低廉使 CCD摄像机的应用领域迅速扩大。现在不论是信号处理，还是数字存储，不论是高精度摄影还是家用摄像，不论是民用还是军用，可以说从太空到海底到处都有 CCD的用武之地。 国内图像传感器水
9、平和国外差距较大。电子 44所、西安光机所和 13所等开展 CCD研究。在西安光机所研制的中国嫦娥 CCD立体相机（参数）获取到了首张月图。电子 44所 CCD图像传感器开发中心具有从事 CCD技术研究的4英寸、 2微米工艺线和测试仪器设备，是国内唯一的 CCD研制线，具有相应的在线检测和 CCD参数测试评价仪器设备。 44所主要从事高性能可见光 CCD极大阵列化、以及新型红外 CCD研究，自行研制出 PtSi红外 CCD组件，可见 CCD已产品化，包括线阵 1024、 2048、 4096和 6000像素 CCD，像素 CCD,可见 光。 TDI CCD、高速 CCD等；可见光 CCD像素尺
10、寸最小。 三 、 CMOS图像传感器基本概况 CMOS是 ComplementaryMetal- OxideSemiconductor 的简称，译为 “ 互补型金属氧化物半导体 ”。 所谓互补型，就是讲 p 沟 MOS晶体管与 n 沟 MOS晶体管这两种特性不同的场效应晶体管连接起来是特性相互补的结构形式 。 这两个互补效应所产生的电流即可被处理芯片记录和解读成影像，随着 CMOS技术的发展， CMOS也逐渐应用到数码摄像系统，也就是 CMOS图像传感器 。 由于 CMOS成像器采用一般半导体电路最常用的 CMOS工艺，可以轻易地将周边电路集成到传感器芯片中，从而继承了 CMOS低功耗，小型化
11、的特点，非常适用于小型的手持式摄像机 、 小型安防监视摄像机 、 平板电脑 、 手机 、 笔记本电脑 、 某些车用摄像系统等领域 。 20 世纪， 80 年代末，英国爱丁堡大学成功试制出了世界上第一块单片 CMOS型图像传感器件 。 时至今日， CMOS图像传感器得到了广泛的应用，具有非常强大的市场竞争力和广阔的发展前景。 四、 CMOS图像传感器的发展趋势 随着超大规模集成技术的发展， CMOS图像传感器显示出了强劲的发展趋势 。 （一）多功能和智能化 传统的图像传感器仅局限于获取被摄对象的图像，图像的传输和处理必须要由其他单独的硬件或者软件来完成 。 然而由于 CMOS图像传感器具有集成度
12、高的特性，所以可以从系统级的水平来设计芯片 。 近几年 Sony 将这些制作 CCD 的经验和技术成功用于新型成像器件 CMOS的开发 。 传统 CMOS的缺点得到了大大的改善甚至全面解决 。 同时 Sony 把它在视频信号处理方面的经验与技术用于 CMOS成像器，成功开发了充分利用 CMOS优势的视频信号处理算法 。 再结合 Sony强大的视频信号处理技术的支持，最终研制成了无论图像质量还是各种性能都能完全胜任专业摄像机要求的 CMOS成像器，开创了 CMOS应用于专业摄像机的新时代 。 （二）高帧速率 由于 CMOS图像传感器访问灵活，所以可以通过只读出感光面上感兴趣的很小区域来提高帧速率
13、 。 同时，CMOS图像传感器本身在动态范围和光敏感度上的提高也有利于帧速率的提高 。 例如 2012 年东芝公司为其数码相机用传感器产品阵容而推出的 TCM5115CL，该产品采用背面照射技术（ BS） I 能够提供高质量图像，从而提高了灵敏度和成像性能 。 TCM5115CL 是具有 5216 （ H） 3920 （ V） 成像像素阵列的 1/2.3 英寸 CMOS图像传感器 。 通过使用 CMOS工艺实现了低功耗和高速运行 。 TCM5115CL 设计用于满足对于高质量 、 高帧速率的图像捕捉和支持流畅 、 慢动作回放的高清视频记录要求，并且提供 60fps1080p 和 100fps7
14、20p 的高帧速率 。 （三）宽动态范围 在上个世界末，为了应对 CMOS传感器下对于宽动态的新需求，美国人发明了新的图像拾取系统，即 DPS数字像素处理系统 。 在处理过程中， DPS采用的是每一个像素单独曝光和 ARM7 控制技术，从数值上来讲，在采用DPS技术的 CMOS摄像机，它的动态范围即可到达 95dB，甚至可至 120dB。 在扩大动态范围的同时， DPS也解决了 CCD传感器在处理动态范围和色彩真实性上的不足，因而使这种技术 的摄像机，在数字图像传感器里每一个像 中都使用了一个模拟数字转换器，将捕捉到的光信号直接转化为数字信号，从而最大程度地降低了信号在排列中的衰减和干扰，提升
15、了成像的质量 。 （四）高分辨率 数码相机方面， 2013 年 2 月，尼康正式发布了旗下旗舰级 DX相机 D7100，这台相机搭载了 2400 万像素 APS- CCMOS传感器，实际输出尺寸达到了 60004000。 而在手机一边， 2012 年第三季度上市的诺基亚 808PureView 更是安置了前所未有的 4100 万超高像素 CMOS传感器摄像头，最大支持 77285368 像素照片拍摄，成像品质毋庸置疑 。 （五）低噪声技术 最近英国 Andor 公司与芯片厂商的领导者进行合作，推出了最新款的科研级 CMOS相机 SCMOS（新），该产品成像尺寸最小达到 8mm，读取噪声在 30
16、 帧 / 秒时小于 2，而在 100 帧 / 秒工作时也才不到 3。 （六）模块化和低功耗 由于 CMOS图像传感器便于系统集成化和小型化，所以可以根据特定的应用场合，将相关的功能集成在一起，并且通过一定的优化设计可以进一步降低其功耗 。 如富士通（ Fujitsu） 推出了小尺寸和低耗电的支持 CIF的 CMOS摄像模块 MB86S02A。 该产品适合配备到手机等产品中 。 通过将过去采用双芯片结构的形象传感器 IC和彩色处理器 IC集成到单个芯片中，从而使新产品的厚度比过去更薄，当以每秒 15帧模式运行时耗电量为仅为 30mW。 五、 CIS背景发展及国内外现状 接触式图像传感器图像传感器
17、 的供应商简称 CIS（ ContactImageSenso），是继 CCD之后于近几年来研究和开发的新型光电耦合光电耦合 的供应商器件。工作原理和功能效果与 CCD相似，但与 CCD相比， CIS具有体积小、价格低，安装方便等优点。目前在传真机，扫描仪及条码解调器解调器 的供应商的生产中已完全取代 CCD。 接触式图像传感器 (Contact Image Sensor)是一种最先用于传真机，近年来开始应用于扫描仪的新技术。由于CIS是一种接触式图像传感器元件，其工作原理是利用以矩阵式排列的内置发光二极管为微小光源发出的光线经被扫描物反射后，由感光器捕获后转化为电信号经处理后直接形成扫描对象的
18、完整影像。 CIS感光元件本身足以完成成像任务，根本不需要经过反射镜或透射镜片参与，产品组装非常简单。由于 CIS由单一组件组成，所以维修也简单得多由于 CIS为 LED无热光管，不需预热过程，通电源即可进行扫描工作，显而易见。利用 CIS技术的扫描仪一般具有体积小，重量轻和节省器 件的优点，因此，价格相对便宜。当然，其扫描效果要比 CCD技术扫描仪稍有逊色。 现阶段，由于 CCD技术已经非常成熟，各大扫描仪厂商都有全系列的 CCD扫描仪产品，供不同层次的用户选择。例如紫光 Unisemn系列中就有 Unise,an4、 5、 6小天使 A600、小天使 AI200、 M1200、 D2oo0
19、等多个系列的十几种不同型号的 CCD扫描仪供用户选择如果不考虑价格和扫描仪体积等因素，那么 CCD扫描仪是最好的选择。 CIS扫描仪具有价格低、体积小的特点而且技术指标也已经可以满足一般家用和办公的需求。例如紫光 Unisean630CP型 CIS扫描仪，其 30060od口 i的光学分辨率，最大 9600dpi的插值分辨率， 30 10位的色彩灰度分辨率，以及A4的扫描幅面，已经和普通 CCD扫描仪不相上下，完全可以满足一般家庭用户的要求，而且与 CCD扫描仪相比还具有相当大的价格优势虽然 CCD扫描仪在很长一段时间内还将是用户的首选，但我们相信随着 CIS技术的不断完善和发展，它必将逐渐流
20、行起来。但 CCD技术不可能被 CIS技术所取代，两种技术必将长期共存。 六、 结论 目前 CMOS图像传感器正在朝更高分辨率 、 更高灵敏度 、 更宽动态范围 、 更加微 型化和数字化的方向发展着，并在许多领域中形成了和 CCD 图像传感器势均力敌的局面 。 在如今火热的手机和平板市场， CMOS独领风骚 。 由此我们可以预见 CMOS美好的未来 。 参考文献 1 陈慧敏 .CMOS 图像传感器的研究新进展 .半导体光电 ,2006. 2 彭军 .CMOS 器件及应用 M.北京 :科学出版社 ,2009. 3 程开富 .CMOS 图像传感器的原理及应用 J.半导体情报 ,2001. 4 谭逸恒 CMOS图像传感器发展趋势 ， 2012
