《图像传感器》PPT课件

传统CCD
• 传统CCD使用的是矩形的感光单元，而富 士公司2年前研制的“SuperCCD（超级蜂 窝结构）使用的是八边形的感光单元，使 用了蜂巢的八边形结构，因此其感光单元 面积要高于传统CCD。这样会获得三个好 处，一是可以提高CCD的感光度、二是提 高动态范围、三是提高了信噪比。这三个 优点加上SuperCCD更高的生成像素成为富 士公司在数码相机产品上的最大卖点。
CMOS图像传感器的优点
• CMOS图像传感器的芯片功能比CCD强大许多。除了将光子 转变为电子和传送电子之外，CMOS还能实现图像处理、边缘 检测、降低噪声、模数转换等功能。另外，图像传感器和数码 摄像机的设计者可以对CMOS的功能编程，让它变成一种更加 灵活的器件。将众多的功能集成在芯片上是CMOS胜过CCD 的地方。另外，它还精减了外围元器件的数量。采用集成 CMOS传感器技术的数码摄像机，其机身将会比使用其它芯片 （比如说数字信号处理器DSP和ADC）小一些。 • 另外，因为CMOS的功耗比CCD小，产生的热量也相应小一 些，因此，也相应减少了热噪声。 • 正因为此，目前投入研发、生产的厂商较多，美国有30多家， 欧洲7家，日本约8家，韩国1家，台湾有8家。而居全球翘楚 地位的厂商是Agilent(HP)，其市场占有率51％、ST(VLSI Vision)占16％、Omni Vision占13％、现代占8％、Photobit约 占5％，这五家合计市占率达93％。
CCD的优点
• 一般认为，CCD传感器有以下优点： • 1.高解析度 （High Resolution）：像点的大小为μm级，可感测 及识别精细物体，提高影像品质。从早期1寸、 1/2寸、2/3寸、1/4寸到最近推出的1/9寸，像素数 目从初期的10多万增加到现在的400～500万像素； • 2.低杂讯 （Low Noise）高敏感度：CCD具有很低的读出杂 讯和暗电流杂讯，因此提高了信噪比（SNR）， 同时又具高敏感度，很低光度的入射光也能侦测 到，其讯号不会被掩盖，使CCD的应用较不受天 候拘束；
CCD的优点
• 3. 动态范围广 （High Dynamic Range）：同时侦测及分办强光和 弱光，提高系统环境的使用范围，不因亮度差异 大而造成信号反差现象。 • 4. 良好的线性特性曲线 （Linearity）：入射光源强度和输出讯号大小成良好 的正比关系，物体资讯不致损失，降低信号补偿 处理成本； 高光子转换效率（High Quantum Efficiency ）：很微弱的入射光照射都能被记录下 来，若配合影像增强管及投光器，即使在暗夜远 处的景物仍然还可以侦测得到；
CCD应用范围
• 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。
CCD的应用范围
CCD的优点
• 6. 低影像失真 （Low Image Distortion）：使用CCD感测器， 其影像处理不会有失真的情形，使原物体 资讯忠实地反应出来； 7. 体积小、重量 轻 CCD具备体积小且重量轻的特性，因此，可 容易地装置在人造卫星及各式导航系统上；
CCD的优点
• 8.低秏电力 不受强电磁场影响； • 9.电荷传输效率佳：该效率系数影响信噪比、解像 率，若电荷传输效率不佳，影像将变较模糊； • 10.可大批量生产，品质稳定，坚固，不易老化， 使用方便及保养容易。 根据In-Stat在2001时对全球图像传感器的研究报告中 指出，CCD产业前七大厂商皆为日系厂商，占了全 球98.5%的市场份额，在技术发展方面，目前较有 特色的主要厂商应为索尼、飞利普和柯达公司。
CCD的优点
• 5. 大面积感光 （Large Field of View）：利用半导体技术已 可制造大面积的CCD晶片，目前与传统底 片尺寸相当的35mm的CCD已经开始应用在 数码相机中，成为取代专业有利光学相机 的关键元件； 光谱响应广百度文库Broad Spectral Response）： 能检测很宽波长范围的光，增加系统使用 弹性，扩大系统应用领域；
柯达
柯达的CCD采用了广受好评的ITO CCD （氧化铟锡）技术，而不是传统的聚 硅化合物。其特点是敏锐度更高，透光性 比一般CCD提高了20％，对于一般CCD感 应较弱的蓝光以及抗杂讯干扰方面有突破 性的改善，其对蓝光感应能力提高了2.5倍， 同时大幅降低了杂讯干扰，使影像更强锐 利、色彩更加准确，为专业数码摄影提供 了高解析度、锐利度的影像。
市场
• 在业界，与CCD传感器不同另一点是 CMOS目前占据市场主要地位的是北美厂 商，前三大厂商为Agilent、OmniVision和 Photobit。因此图像传感器业界的技术、产 业竞争，实质上是日本和北美双雄争霸的 局面。
市场
• CMOS图像传感器属于新兴产品市场，其市 场占有率变化不如成熟产业那般恒常不变。
CMOS图像传感器
• CMOS图像传感器于80年代发明以来，由于当时CMOS工 艺制程的技术不高，以致于传感器在应用中的杂讯较大， 商品化进程一直较慢。时至今日， CMOS传感器的应用 范围也开始非常的广泛，包括数码相机 、PC Camera、 影像电话、第三代手机、视讯会议、智能型保全系统、汽 车倒车雷达、玩具，以及工业、医疗等用途。在低档产品 方面，其画质质量已接近低档CCD的解析度，相关业者希 望用CMOS器件取代CCD的努力正在逐渐明朗。 CMOS 传感器有可细分为：被动式像素传感器CMOS （Passive Pixel Sensor CMOS）与主动式像素传感器CMOS （Active Pixel Sensor CMOS）。
CCD图像传感器分类
• CCD（Charged Coupled Device）于1969 年在贝尔试验室研制成功，之后由日商等 公司开始量产，其发展历程已经将近30多 年，从初期的10多万像素已经发展至目前 主流应用的500万、800万像素。 CCD又可 分为线型（Linear）与面型（Area）两种， 其中线型应用于影像扫瞄器及传真机上， 而面型主要应用于数码相机（DSC）、摄 录影机、监视摄影机等多项影像输入产品 上。
图像传感器
什么是图像传感器？ 能感受光学图像信息并转换成可用输出信号的传 感器 。 图像传感器是组成数字摄像头的重要组成部分， 根据元件不同分为 CCD（Charge Coupled Device，电荷耦合元件） CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor，金属氧化物半导体元件） 。
• CCD由多个光敏像元组成，每个像元就是 一个MOS电容器或一个光敏二极管。这种 电容器能存储电荷，其结构如图所示。
CCD基本结构和工作原理图
(2) 电荷存储原理
• 构成CCD的基本单元是MOS电容器。与其它电容 器一样， MOS电容器能够存储电荷。 • 如果MOS电容器中的半导体是P型硅，当在金属 电极上施加一个正电压Ug时，P型硅中的多数载 流子（空穴）受到排斥，半导体内的少数载流子 （电子）吸引到P-Si界面处来，从而在界面附近 形成一个带负电荷的耗尽区， 也称表面势阱。 对带负电的电子来说， 耗尽区是个势能很低的 区域。
固体图像传感器图示
CCD固体图像传感器
• 电荷耦合器件（Charge Couple Device, 缩 写为CCD）是一种大规模金属氧化物半导 体（MOS）集成电路光电器件。 • 它以电荷为信号， 具有光电信号转换、 存 储、 转移并读出信号电荷的功能。
1. CCD的工作原理
• （1） 结构 • CCD是由若干个电荷耦合单元组成的。 • 其基本单元是MOS（金属-氧化物-半导体）电容器。 它以P型（或N型）半导体为衬底，上面覆盖一层 SiO2，再在SiO2表面依次沉积一层金属电极而构 成MOS电容转移器件。 • 这样一个MOS结构称为一个光敏元或一个像素。将 MOS阵列加上输入、 输出结构就构成了CCD器件。
• 短短的几年，数码相机就由几十万像素， 发展到400、500、800、1000、1200万像 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CCD、 CMOS以及CIS传感器三种。
• CMOS市场中，按照出货比例排名依序为Agilent、 OmniVision、STM和Hyundai，其市场占有率分别 为24％、22％、14％和14％，其中STM是欧洲厂 商，Hyundai是韩国厂商。 • 业界发展了CMOS图像传感器新技术—C3D。 C3D 技术的最大特点就是像素反应的均一性。 C3D技术 重新定义了成像器的性能（即把系统的整体性能包 括在内）并提高了CMOS图像传感器在均一性和暗 电流方面的标准性能。
CCD
• CCD是应用在摄影摄像方面的高端技术元件， CMOS则应用于较低影像品质的产品中。 • 它的优点是制造成本较CCD更低，功耗也低得多， 这也是市场很多采用USB接口的产品无须外接电 源且价格便宜的原因。 • 尽管在技术上有较大的不同，但CCD和CMOS两 者性能差距不是很大，只是CMOS摄像头对光源 的要求要高一些，但现在该问题已经基本得到解 决。目前CCD元件的尺寸多为1/3英寸或者1/4英 寸。 • 在相同的分辨率下，宜选择元件尺寸较大的为好。
飞利普公司在CCD产品方面的优势
具有业界最大尺寸的CCD传感器，在数码相机 的应用中，其35mm尺寸的CCD已经应用在 “Contax”的数码相机中，成为专业数码相机的代 言人。其次该公司还具有独特的“FrameTransfer CCD”（面扫描）技术，该产品在应用中， 可实现每秒30-60幅的速率。这是真正视频信号的 速度。
CMOS图像传感器优点
• 与CCD相比，CMOS具有体积小，耗电量不到CCD的1/10，售价也比 CCD便宜1/3的优点。 • CMOS具有明显的简单和低成本的特点，所以最近日趋成熟的CMOS 产品开始侵蚀CCD产品的市场。不可否认的是，CCD芯片在500万象 素以上的数码相机产品中，能够达到CMOS无法比拟的视觉效果。但 是，CMOS的强项在于动态视频以及其节能性。 • 与CCD产品相比，CMOS是标准工艺制程，可利用现有的半导体设备， 不需额外的投资设备，且品质可随著半导体技术的提升而进步。同时， 全球晶圆厂的CMOS生产线较多，日后量产时也有利于成本的降低。 另外，CMOS传感器的最大优势，是它具有高度系统整合的条件。理 论上，所有图像传感器所需的功能，例如垂直位移、水平位移暂存器、 时序控制、CDS、ADC…等，都可放在集成在一颗晶片上，甚至于所 有的晶片包括后端晶片（Back-end Chip）、快闪记忆体（Flash RAM）等也可整合成单晶片（SYSTEM-ON-CHIP），以达到降低整 机生产成本的目的。
市场
• 在高分辨率像素产品方面，日前台湾锐视 科技已领先业界批量推出了210万像素的 CMOS图像传感器，而且已有美商与台湾 的光学镜头厂合作，将在第三季推出此款 CMOS传感器结合镜头的模组，CMOS应 用已经开始在200万像素数码相机产品中应 用。
结论
• 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。 • 从上述二种图像传感器解析度来看，未来将有 几年时间，以130万像素至200万像素为界，之上 的应用领域中，将仍以CCD主流，之下的产品中， 将开始以CMOS传感器为主流。目前已有300、 400万像素的CMOS上市。