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)和CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor,金属氧化物半导体元件)。 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。 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。短短的几年,数码相机就由几十万像素,发展到400、500万像素甚至更高。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。本文将主要简介CCD以及CMOS传感器的技术和产业发展现状。 一、CCD图像传感器 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。 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; 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; 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CCDD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(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; 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; 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。 飞利普公司在CCD产品方面的优势为,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“Frame-Transfer 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。 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。 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。
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