深度解析圖像傳感器的應(yīng)用場(chǎng)景
發(fā)布時(shí)間:2017-03-10 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】在上一篇文章里我們簡(jiǎn)單了解圖像傳感器的原理、種類和區(qū)別。除了CIS接觸式圖像傳感器,一直以來(lái),人們經(jīng)常討論CMOS和CCD兩種圖像傳感器之間的比較優(yōu)勢(shì),但自始至終,卻沒(méi)有任何定論浮出水面。由于人們關(guān)注的主題總在不斷變化,因此,關(guān)于問(wèn)題的答案也是不確定的。
科技在進(jìn)步,市場(chǎng)也日新月異,影響產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的因素不再只是技術(shù),還包括商業(yè)利益。圖像傳感器的應(yīng)用范圍也發(fā)生了變化,需要滿足更多不同的需求。
有一些應(yīng)用是CMOS成像器的強(qiáng)項(xiàng),另一些則是CCD的優(yōu)勢(shì)。在本文中,我們也不討論孰強(qiáng)孰弱,只是深入探討一下這兩種圖像傳感器在不同領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展情況,以方便大家根據(jù)自身的實(shí)際情況作出正確的選擇。
數(shù)碼相機(jī)領(lǐng)域
數(shù)碼相機(jī)
早期,在數(shù)碼相機(jī)領(lǐng)域,CCD是無(wú)可爭(zhēng)議的霸主,絕大部分?jǐn)?shù)碼相機(jī)都采用CCD成像,只有佳能在自己的高端單反相機(jī)型號(hào)上采用CMOS元件。不過(guò)近年來(lái),CMOS發(fā)展勢(shì)頭迅猛,幾乎已經(jīng)在家用單反相機(jī)中一統(tǒng)江湖。
CCD元件的色彩飽和度好,圖像較為銳利,質(zhì)感更加真實(shí),特別是在較低感光度下的表現(xiàn)很好。不過(guò),CCD元件的制造成本高,在高感光度下的表現(xiàn)不太好,而且功耗較大。
CMOS的色彩飽和度和質(zhì)感則略差于CCD,但處理芯片可以彌補(bǔ)這些差距。重要的是,CMOS具備硬件降噪機(jī)制,在高感光度下的表現(xiàn)要好于CCD,此外,它的讀取速度也更快。
這些特性特別適合性能較高的單反相機(jī),因此目前市場(chǎng)中常見(jiàn)的單反數(shù)碼相機(jī)幾乎都采用了CMOS傳感器。這些裝備了CMOS傳感器的數(shù)碼相機(jī)甚至具備了拍攝全高清(FullHD)視頻的能力,這是使用CCD的數(shù)碼相機(jī)目前無(wú)法做到的。
CMOS另一個(gè)優(yōu)勢(shì)就是非常省電,只有普通CCD的1/3左右。雖然CMOS元件在低感光度下的表現(xiàn)比CCD差,特別是在小尺寸的家用消費(fèi)類相機(jī)成像元件上,由于像素面積小,這個(gè)缺陷就更為明顯。
但背照式CMOS(backsideilluminatedCMOS)傳感器的出現(xiàn),解決了這一問(wèn)題。
目前的態(tài)勢(shì)是:CMOS已經(jīng)占據(jù)了可更換鏡頭的高端數(shù)碼相機(jī)市場(chǎng),并借助背照式CMOS殺入消費(fèi)類數(shù)碼相機(jī)市場(chǎng)。
萊卡相機(jī)
目前在數(shù)碼相機(jī)領(lǐng)域,目前只有萊卡公司的多款數(shù)碼產(chǎn)品以及一些中畫幅數(shù)碼相機(jī)或數(shù)碼后背仍然在使用CCD傳感器,這是因?yàn)椴煌a(chǎn)品對(duì)畫質(zhì)有著不同的要求,所以那些中畫幅的數(shù)碼產(chǎn)品也的價(jià)格也往往會(huì)高出普通數(shù)碼相機(jī)許多。
數(shù)碼攝像機(jī)領(lǐng)域
數(shù)碼攝像機(jī)
首先,我們先了解一下CCD攝像機(jī)的工作方式:被攝物體的圖像經(jīng)過(guò)鏡頭聚焦至CCD芯片上,CCD根據(jù)光的強(qiáng)弱積累相應(yīng)比例的電荷,各個(gè)像素積累的電荷在視頻時(shí)序的控制下,逐點(diǎn)外移,經(jīng)濾波、放大處理后,形成視頻信號(hào)輸出。
視頻信號(hào)連接到監(jiān)視器或電視機(jī)的視頻輸入端便可以看到與原始圖像相同的視頻圖像。CCD在工作時(shí),上百萬(wàn)個(gè)像素感光后會(huì)生成上百萬(wàn)個(gè)電荷,所有的電荷全部經(jīng)過(guò)一個(gè)“放大器”進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)變,形成電子信號(hào),因此,這個(gè)“放大器”就成為了一個(gè)制約圖像處理速度的“瓶頸”,所有電荷由單一通道輸出,就像千軍萬(wàn)馬從一座橋上通過(guò),當(dāng)數(shù)據(jù)量大的時(shí)候就發(fā)生信號(hào)“擁堵”,而HDV格式卻恰恰需要在短時(shí)間內(nèi)處理大量數(shù)據(jù),因此,在民用級(jí)產(chǎn)品中使用單CCD無(wú)法滿足高速讀取高清數(shù)據(jù)的需要。
CCD器件由硅材料制成,對(duì)近紅外比較敏感,光譜響應(yīng)可延伸至1.0um左右。夜間隱蔽監(jiān)視時(shí),可以用近紅外燈照明,人眼看不清環(huán)境情況,在監(jiān)視器上卻可以清晰成像。但是CCD傳感器表面有一層吸收紫外的透明電極,所以CCD對(duì)紫外不敏感。
CMOS在工作時(shí),每個(gè)像素點(diǎn)都有一個(gè)單獨(dú)的放大器轉(zhuǎn)換輸出,因此CMOS沒(méi)有CCD的“瓶頸”問(wèn)題,能夠在短時(shí)間內(nèi)處理大量數(shù)據(jù),輸出高清影像,因此也能都滿足HDV(高清數(shù)碼攝像機(jī))的需求。
另外,CMOS工作所需要的電壓比CCD低很多,功耗大約只有CCD的1/3。因此,電池尺寸可以做得更小,使得攝像機(jī)的體積也就做得更小。而且,每個(gè)CMOS都有單獨(dú)的數(shù)據(jù)處理能力,這也大大減少的集成電路的體積,這也讓高清數(shù)碼攝像機(jī)得以實(shí)現(xiàn)小型化。
另外, CCD傳感器通常能看到照度是0.1~3Lux,CMOS傳感器的感光度一般在6到15Lux的范圍內(nèi),CCD是CMOS傳感器感光度的3到10倍,且CMOS傳感器有固定比CCD傳感器高10倍的噪音,固定的圖案噪音始終停留在屏幕上好像那就是一個(gè)圖案。因此在早期,大量應(yīng)用的所有攝像機(jī)都是用了CCD傳感器,CMOS傳感器一般用于低端的家庭安全方面。
但是,也有例外,就CMOS傳感器可以做得非常大并有和CCD傳感器同樣的感光度,CMOS傳感器非??焖?,比CCD傳感器要快10到100倍,因此非常適用于特殊應(yīng)用如HDV(高清數(shù)碼攝像機(jī))或者高幀攝像機(jī)。
CMOS傳感器可以將所有邏輯和控制環(huán)都放在同一個(gè)硅芯片塊上,可以使攝像機(jī)變得簡(jiǎn)單并易于攜帶,因此CMOS攝像機(jī)可以做得非常小。
隨著CMOS在制造工藝和影像處理技術(shù)上的不斷突破, CMOS的前景也越來(lái)越樂(lè)觀。高清數(shù)字影像的普及更是CMOS技術(shù)發(fā)展的一個(gè)難得機(jī)遇。
而且,與CCD相比,CMOS的制造原理更加簡(jiǎn)單,體積更小,功耗可以大大的降低。種種跡像表明:盡管從目前的狀況看,CMOS與CCD圖像傳感器的應(yīng)用市場(chǎng)仍然有一個(gè)分界,但這個(gè)界限已經(jīng)越來(lái)越模糊。
在選擇CCD攝像機(jī)還是CMOS攝像機(jī)時(shí),目前一般遵循以下原則:
一、低照度環(huán)境下宜使用CCD攝像機(jī)
由于CCD感光單元有效面積大,在光照強(qiáng)度較低的環(huán)境中,能相對(duì)清晰地呈現(xiàn)出被攝物體原貌。相反,CMOS傳感器靈敏度低,ISO感光度差,低照時(shí)成像清晰度大大降低。所以,在低照度環(huán)境下,如燈光較暗的停車場(chǎng)、樓梯間、封閉通道和暗室等,宜選用感光靈敏的CCD攝像機(jī)。
二、隱蔽環(huán)境中使用CMOS攝像機(jī)
CMOS傳感器可以將所有邏輯和控制環(huán)都放在同一個(gè)硅芯片塊上,使攝像機(jī)變得簡(jiǎn)單靈巧,因此CMOS攝像機(jī)可以做得非常小。而CCD攝像機(jī)限于外圍復(fù)雜電路影響,體積無(wú)法做到CMOS般微型化。對(duì)于道路、門口等攝像機(jī)易受不法分子攻擊破壞的場(chǎng)合,選用CMOS攝像機(jī)能達(dá)到隱蔽執(zhí)法、避免攻擊的作用。
三、圖像質(zhì)量要求高的場(chǎng)合選用CCD攝像機(jī)
CCD結(jié)構(gòu)中由于每行僅有一個(gè)ADC,信號(hào)放大比例一致,所以圖像還原真實(shí)自然、噪點(diǎn)低,在對(duì)畫質(zhì)要求苛刻的場(chǎng)合宜選用CCD攝像機(jī)。
四、高幀攝像時(shí)選用CMOS攝像機(jī)更佳
前面提到過(guò),CCD傳感器在數(shù)據(jù)處理方面存在“瓶頸”。而 CMOS傳感器不需要復(fù)雜的處理過(guò)程,直接將圖像半導(dǎo)體產(chǎn)生的光電信號(hào)轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào),因此處理非常快。這個(gè)優(yōu)點(diǎn)使得CMOS傳感器對(duì)于高幀攝像機(jī)非常有用,速度能達(dá)到400到2000幀/秒。所以對(duì)于高速攝像場(chǎng)所,選用CMOS攝像機(jī)效果更佳。
手機(jī)及汽車安防領(lǐng)域
手機(jī)CMOS傳感器
行車記錄儀
我們知道相比于CCD傳感器,CMOS傳感器在功耗、體積及制造成本方面有著不可比擬的優(yōu)勢(shì),而這些正在生產(chǎn)廠家在大規(guī)模市場(chǎng)應(yīng)用中絕對(duì)不可忽視的因素。得益于智能手機(jī)、汽車行駛記錄儀及網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控市場(chǎng)近幾年的高速增長(zhǎng),CMOS傳感器在資金、技術(shù)投入方面獲得了巨大支持。
據(jù)估測(cè),受手機(jī)市場(chǎng)和汽車市場(chǎng)的推動(dòng),CMOS圖像傳感器市場(chǎng)從2014年開(kāi)始,至2020年間的年均增長(zhǎng)率將保持在10.6%左右,到2020年,市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)將達(dá)到162億美元。
CMOS市場(chǎng)藍(lán)圖
為了實(shí)現(xiàn)低能耗和小型組件的高度集成,CMOS設(shè)計(jì)師開(kāi)始關(guān)注開(kāi)發(fā)手機(jī)成像器——世界上規(guī)模最大的成像器應(yīng)用。大量資金投入到開(kāi)發(fā)和微調(diào)CMOS成像器及其生產(chǎn)工藝方面。正因?yàn)榇?,CMOS成像器的圖像質(zhì)量即使在像素尺寸收縮的情況下仍然大為改善。
CCD成像質(zhì)量好,但是制造工藝復(fù)雜,能夠生產(chǎn)的廠家也比較少,價(jià)格也相對(duì)來(lái)說(shuō)比較高,并且功耗也很高,因此,不適合在移動(dòng)設(shè)備上使用。而CMOS傳感器耗電低,但是畫質(zhì)水平比不上CCD,不過(guò)隨著技術(shù)的提高,COMS的畫質(zhì)已經(jīng)逐步趕上了CCD,另外,在相同分辨率下,CMOS價(jià)格比CCD便宜,所以目前市面上的手機(jī)攝像頭都采用CMOS傳感器。
通常CMOS傳感器又會(huì)分為:背照式CMOS傳感器和堆棧式CMOS傳感器。
背照式CMOS傳感器
堆棧式CMOS
所謂背照式CMOS傳感器其實(shí)是與傳統(tǒng)正照式CMOS傳感器相對(duì)的。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是將光電二極管和布線層進(jìn)行對(duì)調(diào),從而讓光線首先進(jìn)入感光電二極管,從而增大感光量,顯著提高低光照條件下的拍攝效果。像我們所熟知的iPhon、小米、魅族都是搭載的這類傳感器。
而堆棧式CMOS傳感器則是背照式CMOS傳感器的衍生產(chǎn)物,它是目前手機(jī)攝像頭中應(yīng)用最廣泛的一種,也是最先進(jìn)的一種,屬于索尼的獨(dú)家技術(shù)。
堆棧式CMOS傳感器使用有信號(hào)處理電路的芯片替代了原來(lái)背照CMOS圖像傳感器的支持基板,在芯片上重疊形成背照CMOS元件的像素部分,從而實(shí)現(xiàn)了在較小的芯片尺寸上形成大量像素點(diǎn)的工藝。由于像素部分和電路部分分別獨(dú)立,因此像素部分可針對(duì)高畫質(zhì)優(yōu)化,電路部分可針對(duì)高性能優(yōu)化。
需要說(shuō)明的是感光元件只是手機(jī)類攝像頭組成中不可或缺的一部分,但不是成像質(zhì)量的決定性因素,這其中還包括廠商通過(guò)軟件對(duì)硬件的優(yōu)化調(diào)校,使其讓人感覺(jué)最好的效果,這也是目前各家廠商在手機(jī)攝像畫質(zhì)方面效果差異最大的決定性因素之一。
手機(jī)攝像頭
航天、醫(yī)學(xué)以及專業(yè)定制領(lǐng)域
看了上面的內(nèi)容,可能容易讓人造成一種錯(cuò)覺(jué),是不是經(jīng)過(guò)這么多年的發(fā)展,CCD傳感器真的已經(jīng)被CMOS傳感器全面超越了呢?其實(shí)不然。
自從1610年伽利略將他的望遠(yuǎn)鏡對(duì)向遙遠(yuǎn)的天空,世界上還沒(méi)有任何一個(gè)事件有如“哈勃”空間望遠(yuǎn)鏡如此巨大地改變了人類對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)。
航天攝像
1990年美國(guó)國(guó)家航空航天局采用CCD數(shù)字成像技術(shù),將有史以來(lái)最大最精確的“哈勃”空間望遠(yuǎn)鏡送上了太空軌道。從1.6萬(wàn)公里以外的螢火蟲(chóng),到相距130億光年的古老星系,她成功的創(chuàng)造了一個(gè)個(gè)空間觀測(cè)奇跡,包括發(fā)現(xiàn)黑洞存在的證據(jù),探測(cè)到恒星和星系的早期形成過(guò)程。
這就是我們都熟知的哈勃空間望遠(yuǎn)鏡中的CCD應(yīng)用。用一幅圖,就足以證明CCD的偉大。
哈勃星云
2011年7月,歐空局為新衛(wèi)星配十億像素?cái)?shù)碼相機(jī)。其使用106塊獨(dú)立的電子探測(cè)器件合成了世界上有史以來(lái)為太空計(jì)劃建造過(guò)的最大像素?cái)?shù)碼相機(jī)。
這臺(tái)被稱作“十億像素陣列”的相機(jī)安裝在歐洲空間局發(fā)射的“蓋亞”探測(cè)器上,成為它超靈敏的眼睛。為了探測(cè)到比肉眼可見(jiàn)暗數(shù)百萬(wàn)倍的恒星,蓋亞探測(cè)器需要配備超高靈敏度的相機(jī)。這臺(tái)相機(jī)就是由106個(gè)CCD(電子耦合器件)制作而成的。
歐空局衛(wèi)星
中國(guó)首顆繞月人造衛(wèi)星嫦娥一號(hào),資源一號(hào)衛(wèi)星、嫦娥二號(hào)、海洋一號(hào)等眾多航天探測(cè)器也都是使用CCD作為超高靈敏度的相機(jī)核心部件。這足以說(shuō)明CCD在太空影像的核心地位。
CCD不僅是超高清成像設(shè)備部件,同樣有著極強(qiáng)的耐用性。太空的環(huán)境與地球環(huán)境相比,不用多言,太空已成為高寒的環(huán)境,平均溫度為零下270.3℃。
在太空中,各種天體也向外輻射電磁波,許多天體還向外輻射高能粒子,形成宇宙射線。如太陽(yáng)有太陽(yáng)電磁輻射,太陽(yáng)宇宙線輻射和太陽(yáng)風(fēng)。相機(jī)作為獲取太空影像信息的核心部件,其在太空環(huán)境下的壽命至關(guān)重要的。而CCD探測(cè)器長(zhǎng)達(dá)幾十年的
設(shè)計(jì)壽命,完美的滿足了高清和耐用兩個(gè)剛性指標(biāo)。
CCD探測(cè)器在航天航空領(lǐng)域不斷的發(fā)展,同樣的,其在醫(yī)用領(lǐng)域,CCD也是最常用的圖像傳感器。近年來(lái),CCD探測(cè)器更是突破材料極限,采用新的設(shè)計(jì)思路,使得CCD探測(cè)器能夠輸出大幅面動(dòng)態(tài)影像,在醫(yī)學(xué)臨床診斷上有里程碑式的意義。醫(yī)用CCD技術(shù),與航天航空CCD技術(shù)一脈相承,可以說(shuō),有著非常過(guò)硬的質(zhì)量和廣泛的應(yīng)用前景。
Medical醫(yī)用顯微內(nèi)窺鏡。利用超小型的CCD攝像機(jī)或光纖圖像傳輸內(nèi)窺鏡系統(tǒng),可以實(shí)現(xiàn)人體顯微手術(shù),減小手術(shù)刀口的尺寸,減小傷口感染的可能性,減輕病人的痛苦。同時(shí)還可進(jìn)行實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程會(huì)診和現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)。
實(shí)際上,直到現(xiàn)在,CCD探測(cè)器在醫(yī)學(xué)、航天、航空、遙感模塊轉(zhuǎn)換圖像幀獲取、衛(wèi)星偵察、天文觀測(cè)、通訊、交通、機(jī)械、鋼鐵、電子、計(jì)算機(jī)、機(jī)器人視覺(jué)、新聞、廣播、電影、電視、金融、出版、印刷、紡織、食品、照相、文教、公安、保衛(wèi)、家電、旅游等各個(gè)領(lǐng)域一直都有非常強(qiáng)勁和深入的發(fā)展。
另外,無(wú)論是CMOS或是CCD,市場(chǎng)在售的圖像傳感器的價(jià)格比全定制圖像傳感器要低得多。如果非要定制,除非變化很小,那么定制CCD成像器的價(jià)格一般低于定制CMOS的價(jià)格。
由于CMOS成像器采用的深亞微米掩膜價(jià)格較高,因此CMOS成像器的研發(fā)價(jià)格也相應(yīng)地高于CCD成像器。此外,CMOS設(shè)備需要設(shè)計(jì)的電路也更多。因此,即使定制CMOS成像器的應(yīng)用性能較好,但是考慮到價(jià)格因素,客戶仍然更加親睞定制CCD成像器。
總結(jié)
多年以前,當(dāng)CMOS這種傳感器還并沒(méi)有完全被廣泛應(yīng)用的時(shí)候,CCD牢牢占據(jù)著當(dāng)時(shí)大部分?jǐn)?shù)碼相機(jī)最核心的位置。
隨著科技的發(fā)展,技術(shù)的不斷提高,CMOS作為后起之秀已經(jīng)逐漸在取代前者CCD的地位并且不斷的自我改良。優(yōu)勝劣汰,這是自然中所有行業(yè)都要遵循的法則。
將來(lái),在照相機(jī)市場(chǎng)的主要發(fā)展方向任然會(huì)是以CMOS作為核心,并在這個(gè)基礎(chǔ)上不斷提高CMOS的分辨率以及靈敏度等等。
時(shí)代在進(jìn)步,節(jié)約成本是每個(gè)商家都在堅(jiān)持的經(jīng)商法則,CCD的未來(lái)不一定在相機(jī)市場(chǎng)里,在其他領(lǐng)域,CCD也會(huì)憑借著自身的優(yōu)勢(shì)而被廣泛的使用。
科技不斷發(fā)展,我相信在未來(lái)的某一天,一定會(huì)有更多種類的傳感器出現(xiàn),這也只是時(shí)間的問(wèn)題,到那時(shí)我們回望過(guò)去,看看我們?cè)?jīng)經(jīng)歷過(guò)的膠片時(shí)代、CCD時(shí)代和CMOS時(shí)代,一定會(huì)由衷的感嘆科技日新月異的飛速發(fā)展。
本文轉(zhuǎn)載至傳感器技術(shù)。
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