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CMOS图像传感器在安防摄像机中的应用

2020-05-08 20:08:46深圳凯茉锐

随着各式消费性电子的兴起,图像传感器已成为半导体业中耀眼的明星产品之一,而在图像传感器中,CCD传感器与新兴成长的CMOS Sensor也逐渐找到自己的应用市场,希望成为市场上的主流技术。CMOS图像传感器与CCD传感器相比具有感光度低、信噪比高的缺点,但是其仍具有低功耗、低成本等优点。

  随着各式消费性电子的兴起,图像传感器已成为半导体业中耀眼的明星产品之一,而在图像传感器中,CCD传感器与新兴成长的CMOS Sensor也逐渐找到自己的应用市场,希望成为市场上的主流技术。CMOS图像传感器与CCD传感器相比具有感光度低、信噪比高的缺点,但是其仍具有低功耗、低成本等优点。针对全球Image Sensor(影像传感器)IC组件市场分析,2010年全球Image Sensor组件应用市场规模为7.1亿美元,在经过金融风暴的影响后,仍持续呈现正成长趋势。TRI预估在2012年Image Sensor市场之规模将近8.5亿美元;Image Sensor市场占比尤以CMOS Sensor之比重为高,平均占比约在9成左右。


  针对CMOS Sensor市场规模分析,2010年CMOS Sensor组件整体市场规模为6.3亿美元,占整体ImageSensor市场89%,整体市场趋势平均维持90%的区间范围。而在各项消费性电子搭载的渗透率偏高的状态下,未来成长幅度趋缓进入产业成长成熟期,TRI预估CMOS Sensor在2011年年成长率为13%,未来将追求在技术像素及制造成本上的进步。


  CMOS Sensor为摄像机模块应用市场重要的影像传感器应用组件,其中应用占比高的为通讯电子商品,占整体CMOS Sensor市场的70%,而CMOS Sensor市场的主要应用包括安全系统、车用系统、PC相关周边应用、数码相机等。IPad带动的平板电脑市场是CMOS Sensor成长快的应用市场。


  安防摄像机的应用市场占图像传感器市场值1成之间,过去多使用CCD作为影像传感器,近年来CMOSSensor的性能不断提升,开始打入长久为CCD Sensor独占的市场,主要偏向较低价的安防摄像机。


  CCD与CMOS的技术特点

  CCD与CMOS的技术特点主要在于成像过程、集成度、功耗、性能指标等方面。


  成像过程

  CCD和CMOS使用相同的光敏材料,因而受光后产生电子的基本原理相同,但是读取过程不同:CCD是在同步信号和时钟信号的配合下以帧或行的方式转移,整个电路非常复杂,读出速率慢;CMOS则以类似DRAM的方式读出信号,电路简单,读出速率高。


  集成度

  采用特殊制造工艺的CCD读出电路比较复杂,很难将A/D转换、信号处理、自动增益控制、精密放大和存储功能集成到一块芯片上,一般需要多个芯片组合实现,同时还需要一个多通道非标准供电电压。借助于大规模集成制造工艺,CMOS图像传感器能非常容易地把上述功能集成到单一芯片上,多数CMOS图像传感器同时具有模拟和数字输出信号。


  电源、功耗和体积

  CCD需多种电源供电,功耗较大,体积也比较大。CMOS只需一个单电源(3V~5V)供电,其功耗相当于CCD的1/10,高度集成CMOS芯片可以做的相当小。


  性能指标

  CCD技术已经相当成熟,而CMOS正处于蓬勃发展时期,虽然目前高端CMOS图像质量暂时不如CCD,但有些指标(如传输速率等方面)已超过CCD。由于CMOS具有诸多优点,国内外许多机构已经应用CMOS图像传感器开发出众多产品。


  CMOS传感器关键技术取得突破

  CMOS传感器的技术发展跟随摩尔定律快速发展,尤其是几年来在市场需求的推动下,关键技术不断取得突破。对于用户关注的CMOS的照度和噪点等问题,实际上可见光下CMOS的信噪比远高于CCD。一方面,随着国际CMOS大厂的不断改进,CMOS还继续在成像的通透性、对实物的色彩还原能力等方面迎头赶上。研发了感光度增强技术,进而通过使用大尺寸传感器提高开口率,这正是提高CMOS感光能力的直接办法。即便是在噪音控制方面,有公司将专门的噪声检测算法直接整合于CMOS图像传感器的控制逻辑中。通过这项技术,固定噪声就可以成功剔除了。更何况CMOS的价格远低于CCD设备。另一方面,在ISP中采用多种技术革新,如去噪技术来提升CMOS的噪点问题。


  此外,从工艺上来讲,CCD每提升100万像素就需要对其生产线进行改造,研发生产的成本比较高。如果CCD尺寸仍然维持在2/3英寸的话,单位电极的间隙就被限制在0.4微米以内,进而导致制造中产生的损品率与生产成本大幅度攀升。


  在各主力厂商的不断努力下,新的CMOS器件不断推陈出新,高动态范围CMOS器件已经出现,这一技术消除了对快门、光圈、自动增益控制及伽玛校正的需要。另外由于CMOS先天的可塑性,可以做出高分辨率像素的大型CMOS感光器而成本却不上升多少。相对于CCD的停滞不前相比,CMOS作为新生事物而展示出了蓬勃的活力。CMOS图像传感器正在向高分辨率、高动态范围、高灵敏度、数字化、多功能化的多元化的细分市场发展。随着CMOS图像传感器技术的不断进度,CMOS传感器在安防摄像机的应用会不断增大。

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