CMOS图像传感器的应用

CMOS图像传感器的应用

1.4.1 数字电视和视频摄像

电子图像传感器的起源就来自电视摄像的应用，CMOS图像传感器现在已经成为先进的数字电视摄像设备的主流图像传感器。电视和视频摄像的特点就是摄取连续图像，在这个领域中除了广播电视以外，CMOS图像传感器广泛应用于监控摄像机（Surveillance）、网络和多媒体摄像（Webcam）以及个人和专业的数字视频摄像机（Camcorder）。虽然CCD图像传感器在这一广阔领域仍然占有一席之地，但在高清晰度电视HD1080及以上的最新型号数字图像摄像机中，采用CMOS图像传感器已经成为主流。在数字电视和视频技术领域中，广泛应用先进的高速数据传输、存储和信号处理技术，并与微型计算机、网络和数字通信技术接口，直接输出图像数据的CMOS图像传感器芯片，比其前一代CCD图像传感器具备更明显的优势。

1.4 CMOS图像传感器的应用

1.4.1 数字电视和视频摄像

电子图像传感器的起源就来自电视摄像的应用，CMOS图像传感器现在已经成为先进的数字电视摄像设备的主流图像传感器。电视和视频摄像的特点就是摄取连续图像，在这个领域中除了广播电视以外，CMOS图像传感器广泛应用于监控摄像机（Surveillance）、网络和多媒体摄像（Webcam）以及个人和专业的数字视频摄像机（Camcorder）。虽然CCD图像传感器在这一广阔领域仍然占有一席之地，但在高清晰度电视HD1080及以上的最新型号数字图像摄像机中，采用CMOS图像传感器已经成为主流。在数字电视和视频技术领域中，广泛应用先进的高速数据传输、存储和信号处理技术，并与微型计算机、网

络和数字通信技术接口，直接输出图像数据的CMOS图像传感器芯片，比其前一代CCD图像传感器具备更明显的优势。

1.4.2 静止图像数码照相机

当今的静止图像数码照相机已经几乎完全取代了有近二百年历史的胶片照

相术。当1975年伊斯曼-科达公司发明数码照相机时，正是得到了CCD图像传感器技术的帮助和推动。在当今被称为“卡片”机的Point-shoot数码照相机产品中，CCD图像传感器还占有相当的份额，这可能是出于尽量充分利用已有生产能力的商业考虑，毕竟卡片照相机的单一品种产量还是相当大的。但是在高端和专业的数字单镜头反光照相机（DSLR）领域，最新型号的产品几乎全部采用CMOS图像传感器。这可能是由于DSLR照相机对传感器芯片所要求的层出不穷的新功能和新性能，更适合能迅速推出新设计，而不需要重建新工艺生产线的CMOS图像传感器。当然，这也说明了CMOS图像传感器的图像质量，已经达到和超过比它先行20年的上一代CCD图像传感器的水平。

当前高端的数码单反照相机的光电传感器阵列的尺寸，大多数采用两种标准：全幅的传感器为36mm宽和24mm高，相当于传统135照相胶片的成像尺寸；以及另一种较小的APS-C标准，其尺寸大约在“半幅”24mm宽和16mm高左右，其具体尺寸数据随不同厂商不同型号的产品会有不同的版本。它们分别配合传统全幅规格或APS-C规格透镜，以满足来源于胶片时代的专业

和业余摄影师艺术风格和习惯需求，这两种成像标准都远大于多数卡片照相机CCD成像器尺寸。

应用CMOS图像传感器的静止图像照相机还可以达到很高的清晰度，使摄

取的图像拥有更多的细节信息。数码单反照相机更可以利用成像面积大的优势，达到几千万像素的前所未有的清晰度。不论哪一个静止数码照相机类别，最新型号的照相机大多同时集成了视频摄像的功能，甚至数码单反照相机大多都集成了

HD1080高清晰度的视频摄像功能，因为兼容视频功能对于CMOS图像传感器而言是轻而易举的。

实际上静止图像照相的方法还可以应用在许多特殊的领域，在军事、科学研究、医学、教育、交通管理和工业过程控制等方面发挥重要的作用。用于X射线成像的CMOS传感器就是许多特殊应用的例子之一，X射线是直线传播的，不能用光学透镜成像。在CMOS传感器阵列平面上涂敷一层能把X射线能量转换到可见光的材料，就可以实现X射线直接成像，得到的图像信息可以直接输入到微电脑中存储、显示和处理。最初小尺寸X射线CMOS图像传感器的数字成像，被应用到牙科医生为患者作牙齿检查，或用于小尺寸工业产品裂纹的检查。当制造出尺寸达到200mm以上的晶元级X射线CMOS成像阵列以后，在医学上就可以实现对骨骼和器官的X射线检查，以及检查更大尺寸物品的微小细节。因为X射线CMOS传感器阵列的灵敏度远高于传统的胶片，所以在医学领域射线辐射的能量可以减小到原来的几十分之一，大幅度降低辐射对病人和医生的人体危害。不论CMOS传感器阵列的尺寸有多大，其像素尺寸都是微米数量级的，所以成像细节的分辨力可以轻易达到10μm数量级，再经过数字图像信号处理，可以轻易发现原来在胶片上难以分辨的微小裂纹和组织。

1.4.3 移动通信和便携设备的摄像功能

从简单功能的移动电话手机，到当前一代代不断更新的网络通信智能手机和平板电脑，它们的照相功能都是用CMOS图像传感器实现的。因为在这些小型便携设备中，摄像功能结构的微型化、芯片周边电路的简单化、低功耗、多功能和高度集成要求，使CCD图像传感器从最早期的手机照相功能方案时就已经退出了竞争，而CMOS图像传感器成为设计方案的唯一选项。在这类应用中，一个CMOS图像传感器的单芯片不但包括像素阵列和模数转换器，而且把数字信号处理器也集成在芯片上，形成一个单片集成系统SoC，从芯片直接输出供显示、传输和通信的数字图像信息标准编码格式。便携设备越来越薄的厚度要求使

光学透镜的直径和焦距必须减小到几毫米的数量级，这样一来传感器阵列的成像面尺寸都必须相应减小，像素尺寸被要求达到接近1μm水平，当今先进的CMOS图像传感器都能很好地满足这些苛刻的技术要求。

1.4.4 高清晰度数字电影摄像技术

虽然在HD1080高清电视摄像领域，CCD图像传感器还能占据一定的份额，但在4K以上的高清晰度数字电影摄像领域，只有CMOS图像传感器才能全面满足要求。高清电视HDTV的图像宽高比被定义在16∶9，即1.778，像素数为1920×1080。这个画面宽高比例还远不能满足电影制作者们的艺术风格要求，电影摄制要求的宽银幕画面宽高比还有2、2.33和2.44等。在数字电影领域通常用图像画面在水平方向像素数的1024整倍数n K来表达描述数字电影图像的信息量。比如，高清电视HDTV标准的水平1920像素，实际上还略低于2K数字电影格式。用于高清晰度数字影院的CMOS图像传感器像素数见表1.1，其中宽高比1.5是传统非宽银幕胶片电影的规格，而2.0、2.33和2.44是宽银幕电影常用的宽高比，在表中与它们相对比的是1080行的高清电视HDTV标准。

表1.1高清晰度数字影院图像的像素数