CMOS成像技术让照相功能大显身手

关键词： CMOS , 成像 , 照相

互补型金属氧化物半导体( CMOS)成像技术已经成为众多新兴摄像头应用的首选。数字成像随着1969年电荷耦合器件( CCD)的发明而诞生，但在此后的30年间，它一直未能成为主流的图像采集技术。二十世纪九十年代中期，因美国航空航天局喷气动力实验室发明了有源像素体系结构，CMOS技术才在取景方面得到飞速方展，CMOS传感器业已稳步立足市场，正引领业界朝着新的发展方向迈进。CCD技术无法在广泛的成像应用领域竞争，我们可能会看到，它将向越来越专业化的方向发展，为诸如DSLR等专业领域服务，最终走上Betamax录像带和vinyl LP录像的道路。

CMOS传感器的优势

1．低功耗

有源像素CMOS传感器的功耗只有20到50毫瓦。这样低的功耗能够大幅延长手机或数码相机的电池使用寿命。  

2．标准的半导体制造平台

CMOS图像传感器是在标准DRAM裸片上生产的，具有成本合理、生产便利的特点。另外， DRAM制造工艺本身具有降低泄漏电流的特点，能够实现低噪声工作，获得清晰、锐利的图像质量。  

3．更小的电路板体积

CMOS图像传感器在一个裸片中集成了多项摄像头功能，降低了芯片数量，提高了可靠性，简化了小型化过程，并且降低了总成本。  

4．运行速度快

CMOS的有源像素技术可以驱动图像阵列的列总线高速传输，其芯片附带的 模数转换器(ADC)可以更容易地驱动高速信号进行芯片传输。这两项特性为机器视觉和运动分析应用提供了巨大优势。  

5．更大的灵活性

CMOS装置的行列寻址功能与基本DRAM相似，能够提供关注窗口度数，并且支持芯片电子摇摄、倾斜和变焦。这些功能可以为需要图像压缩、运动探测或目标跟踪的应用提供更大的灵活性。灵活的寻址特性与高速CMOS相结合为设计人员改善自动对焦和自动曝光提供了众多选择。  

6．供应稳定

CMOS产品采用基于DRAM的制造工艺，能够提供足够的产量、准备时间、产能和预期优势。  

7．可更快推向市场

CMOS图像传感器结构简单，进行应用设计时，方便快捷，能够将最终产品快速推向市场，并立刻产生效益。  

8．芯片集成了组件或完整的摄像头系统

CMOS传感器灵活性强，制造时既可以作为独立组件，也可与数字图像流处理器相结合，建立完整的芯片摄像头系统(SOC)解决方案。 SOC可执行一系列复杂的处理功能，其中包括色彩还原、色彩修正、锐化及自动曝光。集成式SOC进一步简化了应用设计，降低了芯片数量，使设计人员能够最大程度利用电路板空间。

诸如智能电话和手持设备以及笔记本电脑等高质量消费产品，以及智能汽车市场和监控/安全市场都具有很大的需求，直到如今，使用传统的CCD成像技术无法轻松满足这些需求。

移动电话：CMOS的最忠实拥护者

为手机设计的摄像头从入门级设计到功能丰富的多媒体设备种类繁多。预计到2008年，全球售出的新摄像头手机中有超过75%至少配有一个摄像头，有超过5%具有两个摄像头。截止2007年底，手机的年销售额达10亿部，用户安装数量超过10亿部。

摄像头手机正在成为消费摄影领域中的新角色。通常消费者不会随身携带数码相机，但是会随身携带具有摄像头的手机，随行随拍。摄像头手机能够让用户随时记录并分享生活中容易错过的美好瞬间。

目前VGA(640×480像素)和130万像素(1280×960像素)仍是摄像手机中的主流分辨率，这样的打印质量无法满足消费者的期望。目前业界正趋向于为手机设计200万像素(1600×1200像素)和300万像素(2048×1536像素)图像传感器，让用户能够在4×6英寸格式到8.5×11英寸格式下打印清晰锐利的图片。

除了分辨率和图像传感器质量外，摄像头大小对于手机市场也非常重要。四分之一英寸或更小的袖珍光学格式是如今主流手持设备的关键设计要求。最新像素技术已能够实现1.75微米像素，并能在保持优异画质情况下使用8x8mm格式实现300万像素分辨率。

解决图像质量和尺寸问题后，功耗成为手机市场的另一个主要障碍。CMOS的设计具有更低的耗电量，可以为设计人员提供更长的电池寿命，或者为更小的手持设备提供体积更小的电池。

同时实现摄像头的拍照和视频功能

无论是购买摄像手机还是数码相机，消费者都需要同一台设备同时具有视频和照片拍摄功能。因为CMOS具有成本低、体积小、灵活性强的优势，更容易满足这些要求。

消费者需要摄像头具有高分辨率视频和高速图像捕获等高级功能，但又不想支付过高的价格。另外，随着通讯条件的飞速进步，计算能力的提升，以及网络带宽的增加，消费者能够轻松地管理和共享他们拍摄的美好瞬间。

CMOS瞄准快速增长的网络摄像头市场

伴随免费网络电话、即时消息和高质量成像技术的出现，视频聊天正在朋友、家人和同事之间迅速流行开来。目前大多数网络摄像头还是只有VGA或130万像素分辨率的传统“连线”式摄像头，但市场正在向用于笔记本电脑和平板显示器的200万像素或更高分辨率的方向稳步发展。

CMOS摄像头具有较快的帧速率，能够捕捉锐利、清晰的视频图像和较高的动态范围，可以在不同光照条件下确保较高的图像质量，CMOS摄像头的这些优点都有助于推动视频聊天的采用。

使用CMOS成像技术实现更安全、更智能的驾驶

随着技术更先进的汽车和商用交通工具的上路，成像功能成为一项能够为驾驶员提供更好视野的实用功能，这些功能增强应用还包括车道偏离警告和自动巡航控制系统等。车辆使用的成像功能主要用于场景查看和场景处理应用。在场景查看应用中，CMOS摄像头用于提高驾驶员对周围景物的认识。汽车场景查看应用的实例包括停车辅助、尾部和侧面视频观察、乘客查看、后视镜替代/辅助以及生物识别/安全。

在场景处理应用中，摄像头捕获环境信息，并将这些信息发送到车辆的数据系统，帮助车辆“了解”周围情况，处理信息，并做出反应。例如，在车辆位于巡航模式下并且与前车距离过近时，摄像头能够提供接近距离数据，从而让车辆执行自动刹车等辅助操作。场景处理功能可以让您的驾驶体验更安全、更方便。用于场景处理的摄像头必须能够在所有光照级别和极端温度下正常工作。

因为车外的景物在随时变化，摄像头必须具有比实时要求更高的采样速率，才能避免车辆碰撞。摄像头必须能够在不需要额外图像重建处理情况下，清晰显示出场景。汽车场景理解方面的应用实例包括：适应性巡航控制、碰撞避让/行人保护、车道监察和偏离警告、疲劳监测、风挡玻璃雨刷器控制和远光暗化。

汽车环境对于摄像头来说非常恶劣。摄像头必须承受极强的光照和极端的温度，并与多种不同体系结构实现集成，并且需要始终稳定工作。具体来说，需要将汽车部件设计为能够承受-40°C到+85°C的温度范围，对于一些特定装置，工作时与存放时的耐受温度范围分别为-40°C至+105°C和-40°C至+125°C。

许多汽车场景处理应用需要具有较高的动态范围，以执行一些重要功能。从技术角度来说，450nm–1,050nm＞40% QE at 550nm的光谱范围可以检测到从深蓝(DB)到近红外(NIR)光谱，峰值相应与人眼范围相似。需要使用电子卷帘快门(ERS)提供优异的视频捕捉性能(特别是在低光照条件下)。  

CMOS着眼新兴市场：安保与监控

随着安保与监控摄像头市场在全球范围内不断扩大，成像质量更高、功能丰富、价格合理的摄像头成为需求的重点。CMOS摄像头能够为安保应用提供一系列固有的技术优势，这些优势包括优秀的图像性能、较高的动态范围、低噪声、更高的帧速率和更小的体积。

基于CMOS的安保图像传感器设计简单，能够在低光照条件下提供优异的成像性能，具有近红外和低于可见烛光(等于一支点燃蜡烛发出的光亮)的成像能力。

普通住户需要低成本、高质量并且可以自己安装的摄像头解决方案，这种需求推动了消费级安保摄像头市场的发展，用户可以自己安装、维护并操作这些家用解决方案。以前可供DIY的摄像系统多数都存在图像闪烁和模糊的问题。为满足消费者的需求，各厂商正在利用基于高质量CMOS的图像传感器设计产品，提供成本低、性能好的摄像头系统，以抓住这个新的市场机会。用于家用安保市场的CMOS成像技术主要具有以下优势：VGA或百万像素分辨率； NTSC或 PAL格式的数模输出；适用于简单摄像头模块设计和更少组件数目的片载系统(SOC)摄像头；不使用马达或任何移动部件而通过摇摄、倾斜和变焦功能实现宽广视场，并且可以随时扫描传感器的整个视场显示其中的任意区域。

对商用摄像头市场，重要的是摄像头应具有在同一地点的大动态范围光照条件下捕捉清晰、锐利、颜色逼真的图像的能力，并且能够捕捉宽广的视场。商用安保市场的CMOS成像技术具有以下主要优势：

具有数百万像素的分辨率，支持每秒15帧(fps)的全屏幕和每秒30帧及以上的子窗口，非常适合需要监控整个房间或视野的摄像头应用，或者深入探查，聚焦于小而重要的细节。  

在高达100dB的动态范围内，与CCD成像器相比，能使摄像头从动态范围更宽的场景中捕获到详细信息，设计成本也更低。  

不使用马达或任何移动部件而通过电子摇摄、倾斜和变焦功能功能实现宽广视场，可以随时扫描传感器的整个视场显示其中的任意区域。  

如配备鱼眼镜头，可提供完整的全景视野。  

日常生活对于高质量成像技术的需求不断增长，最后这种需求成为了现实。CMOS图像传感器在功耗、系统设计和片载功能集方面具有众多优势，所有这些优势缩短了产品推向市场的时间，增强了产品的竞争力。CMOS图像传感器基本代表了最先进的成像技术，将成为未来几年图像传感器市场的主流。