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  • 背照式CMOS传感器性能及IPC产品开发

        目前数码技术、半导体制造技术以及网络的高速发展,数码产品的市场以惊人的速度再增长,组成视讯、影音产品的关键零部件图像传感器(Sensor)就成为当前以及未来业界重点关注的对象。图像传感器主要有CCD和CMOS两种芯片,而在我们目前的高清安防监控领域,两种芯片技术都有所应用。
        图像传感器的发展及应用
        眼睛是人的视觉图像来源,而图像传感器就是视频采集设备的图像接受装置。图像传感器按形态分类一般有两类:线型图像传感器、面型图像传感器。线型图像传感器多用在扫描仪、复印机、传真机等设备中。而面型图像传感器则广泛的应用在我们熟知的安全监控摄像机、手机摄像头、汽车倒车影像摄像机、平板电脑等产品中。     

        刚刚我们说到,图像传感器有CCD与CMOS芯片两种。早期,我们通常认为图像画质优秀的设备都采用CCD传感器,而低成本产品则使用CMOS传感器。但是新的CMOS芯片技术已经克服了早期CMOS传感器的技术弱点,传感器的设计上相比老产品提升了低照性能、曝光模式等。拿目前流行的背照式CMOS传感器来说,在传统的CMOS图像传感器中,感光二极管位于电路晶体管后方,光线会通过微透镜和光电二极管之间的电路和晶体管,那么进光量就会因遮挡而受到影响。
        背照式CMOS传感器在图像传感器原件内部的结构上做了优化,它将感光层的原件调转方向,让光线从背面直射进去以增大芯片的感光量,这样背照式CMOS图像传感器比传统CMOS传感器在感光灵敏度上有质的飞跃,在低照度环境下,采用背照式CMOS传感器的高清摄像机在聚焦能力、图像画质表现、图像噪点控制等方面有了极大的性能提升。
        最新推出的300万像素高清网络摄像机和1080P高清阵列红外高速球产品就使用背照式CMOS传感器,背照式CMOS优秀的低照性能配合设备上集成的LED Array,相比传统的CMOS产品,由于背照式CMOS传感器的良好的感红外性能和性能优异的Sensor QE,大幅提升了摄像机在低照及有红外补光时的夜间效果。
        背照式CMOS图像传感器除了优秀的低照等性能外,还具有更好的高感光控噪性能。也就是说在ISO提高之后,噪点会比CCD少得多。这在低照环境下的图像采集有很大优势,高帧率性能更好。背照式CMOS传感器往往都是高速芯片,众多芯片均支持全高清画质每秒60帧或更高帧率的图像输出,而在这方面CCD传感器比较吃力。
        现在主流的采用背照式CMOS传感器的高清摄像机大多支持1080P@30fps全高清视频或720P@60fps。而我们常见的CCD传感器摄像机只能够720p@25fps,支持1080P格式的CCD传感器造价高昂。背照式CMOS传感器像素可以再高些。
        虽说无论是背照CMOS或是CCD,都可以提高有效像素。但是背照式CMOS的构造决定了传感器面积不变的情况下,可以将有效像素进一步提高,画质也能够保持得比较好。相比之下CCD盲目提高像素的话,画质就会很差,而且随着像素提高,芯片尺寸也在变大造成成本几何倍数上升。
        CCD传感器制造工艺较复杂,采用CCD传感器的摄像机价格都会相对比较高。事实上经过技术改造,目前CCD和CMOS的实际效果的差距已经减小了不少。而且CMOS芯片的制造成本和功耗都要远低于CCD,所以很多高清摄像机厂家采用CMOS图像传感器。成像方面:在相同像素下CCD的成像通透性、明锐度都很好,色彩还原、曝光可以保证基本准确。而CMOS的产品目前画面通透性一般,对实物的色彩还原能力偏弱,曝光模式由于大多使用Rolling Shutter模式造成高速运动物体传感器在捕捉时存在畸变的问题,CMOS的成像质量和CCD传感器在画质要求较为严格的场景中还是有一定距离的。但由于低廉的价格以及高度的整合性,因此在日益迅速发展的高清摄像机市场中还是得到了广泛的应用。
        图像传感器的最新研发成果
        2012年CMOS图像传感器受到市场青睐重要原因在于过去大大低于CCD的灵敏度问题由于使用了新的传感器技术,如背照式CMOS,逐步得到解决。和CCD传感器相比,CMOS传感器具有更好的量产性,而且容易实现包含其他逻辑电路在内的SoC(System on Chip)产品,而这在CCD芯片中却很难实现。尤其是CMOS传感器不像CCD芯片那样需要特殊的制造工艺,因此可直接使用面向DRAM等大批量产品的生产设备。这样一来,CMOS图像传感器就有可能形成完全不同于CCD图像传感器的成本结构,同时也为CMOS传感器高度集成化开辟了新的发展方向。早期市场上就曾经推出过CMOS传感器自带ISP处理器,内含2A(AE、AWB)控制算法。
        而发展至今,这样的产品极受市场的欢迎和青睐。众多不具备ISP图像处理器/ISP算法研发能力的小企业可以使用自带2A处理的CMOS传感器来制造高清摄像机。传统的高清摄像机架构中,从前端到后端一般分为几个组成部分:图像传感器SENSOR,ISP图像传感器,压缩/信号转换处理;而如果使用集成ISP的CMOS传感器,中间部分使用FPGA芯片实现的ISP单元就可以省去,这样既有效的降低设备整体BOM成本,又绕过了ISP算法的研发门槛。目前市场上价格较为低廉的720P高清网络摄像机大多都使用此类方案。
        近期又有厂家推出了集成Real帧级宽动态的超宽动态高清背照式CMOS传感器,与之前的集成2A功能的CMOS SENSOR不同,这款产品使用了传感器厂家拿手的帧级宽动态技术。我们知道,对于高清摄像机的图像处理,尤其是ISP部分依靠的不仅仅是研发实力,也依靠对于图像处理调试的丰富经验积累。那么一款自带帧级宽动态功能的背照式CMOS传感器产品,不仅将传感器的动态范围提升至120dB以上,也为摄像机生产厂家节省了研发投入。
        除了上述这种集成ISP图像处理的图像传感器,未来市场推出集成压缩处理的图像传感器也是方向之一。将摄像机的核心部件高度集成化是未来的发展趋势,这些都得益于CMOS传感器具有更好的量产性,而且容易实现包含其他逻辑电路的架构特性。