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摘要：  當今的CMOS圖像轉(zhuǎn)換技術(shù)不僅服務(wù)于“傳統(tǒng)的”工業(yè)圖像處理，而且還憑借其卓越的性能和靈活性而被日益廣泛的新穎消費應(yīng)用所接納。

關(guān)鍵字：  傳感器，監(jiān)控，自動化

當今的CMOS圖像轉(zhuǎn)換技術(shù)不僅服務(wù)于“傳統(tǒng)的”工業(yè)圖像處理，而且還憑借其卓越的性能和靈活性而被日益廣泛的新穎消費應(yīng)用所接納。

此外，它還能確保汽車駕駛時的高安全性和舒適性。最初，CMOS圖像傳感器被應(yīng)用于工業(yè)圖像處理;在那些旨在提高生產(chǎn)率、質(zhì)量和生產(chǎn)工藝經(jīng)濟性的全新自動化解決方案中，它至今仍然是至關(guān)重要的一環(huán)。

據(jù)市場研究公司IMSResearch的預測，在未來的幾年中，歐洲工業(yè)圖像處理市場的年成長率將達到6%，其中，在相機中集成了軟件功能的智能型解決方案的市場份額將不斷擴大。在德國，據(jù)其全國工具機供應(yīng)商協(xié)會VDMA提供的數(shù)據(jù)，2004年的圖像處理市場增長率達到了14%。市場調(diào)研公司In-Stat/MDR亦指出，單就圖像傳感器的次級市場而言，其年成長率將高達30%以上，而且這種情況將持續(xù)到2008年。最為重要的是：CMOS傳感器的成長速度將達到CCD傳感器的七倍，照相手機和數(shù)碼相機的迅速普及是這種需求的主要推動因素。

顯然，人們?nèi)绱丝春肅MOS圖像轉(zhuǎn)換器的成長前景是基于這樣一個事實，即：與壟斷該領(lǐng)域長達30多年的CCD技術(shù)相比，它能夠更好地滿足用戶對各種應(yīng)用中新型圖像傳感器不斷提升的品質(zhì)要求，如更加靈活的圖像捕獲、更高的靈敏度、更寬的動態(tài)范圍、更高的分辨率、更低的功耗以及更加優(yōu)良的系統(tǒng)集成等。此外，CMOS圖像轉(zhuǎn)換器還造就了一些迄今為止尚不能以經(jīng)濟的方式來實現(xiàn)的新穎應(yīng)用。另外，還有一些有利于CMOS傳感器的“軟”標準在起作用，包括：應(yīng)用支持、抗輻射性、快門類型、開窗口和光譜覆蓋率等。不過，這種區(qū)別稍帶幾分任意性，因為這些標準的重要程度將由于應(yīng)用的不同(消費、工業(yè)或汽車)而發(fā)生變化。

細節(jié)表現(xiàn)中所面臨的難題

就像我們從模擬攝影所獲知的那樣，拍攝一幅完整場景的照片是一件相當普通的事情，照相手機同樣如此。但是，對于工業(yè)或汽車應(yīng)用來說，情況就大不一樣了：有些場合并不需要很高的全幀數(shù)據(jù)速率。比如，在監(jiān)控攝像機中，只要能夠發(fā)現(xiàn)一幅場景中出現(xiàn)的變化(因為這種變化可能預示著某種可疑情況)，那么分辨率低一點也是完全可以接受的。在此基礎(chǔ)之上才需要借助全分辨率來采集更多的細節(jié)信息。跟著發(fā)生的動作將只在攝像機視場的某一部分當中進行播放，而且，在所捕獲的場景中，只有這一部分才是監(jiān)控人員所關(guān)注的。

對于只提供全幀圖像的CCD圖像傳感器而言，只有采用一個分離的評估電路才能夠提供兩個觀測角度，這意味著處理時間和成本的增加。然而，CMOS圖像傳感器的工作原理則與RAM相似，所有的存儲位均可單獨讀出。CMOS傳感器的二次采樣雖然提供了較低的分辨率，但是幀速率較高;而開窗口則允許隨機選擇一塊感興趣的區(qū)域。

CMOS傳感器坐擁高靈敏度、寬動態(tài)范圍和低功耗優(yōu)勢

最新CMOS傳感器獲得廣泛應(yīng)用的一個前提是其所擁有的較高靈敏度、較短曝光時間和日漸縮小的像素尺寸。像素靈敏度的一個衡量尺度是填充因子(感光面積與整個像素面積之比)與量子效率(由轟擊屏幕的光子所生成的電子的數(shù)量)的乘積。CCD傳感器因其技術(shù)的固有特性而擁有一個很大的填充因子。而在CMOS圖像傳感器中，為了實現(xiàn)堪與CCD轉(zhuǎn)換器相媲美的噪聲指標和靈敏度水平，人們給CMOS圖像傳感器裝配上了有源像素傳感器(APS)，并且導致填充因子降低，原因是像素表面相當大的一部分面積被放大器晶體管所占用，留給光電二極管的可用空間較小。所以，當今CMOS傳感器的一個重要的開發(fā)目標就是擴大填充因子。賽普拉斯(FillFactory)通過其獲得專利授權(quán)的一項技術(shù)，可以大幅度地提高填充因子，這種技術(shù)可以把一顆標準CMOS硅芯片最大的一部分面積變?yōu)橐粔K感光區(qū)域。

另外，對于一個典型的工業(yè)用圖象傳感器而言，由于許多場景的拍攝都是在照明條件很差的情況下進行的，因此擁有較大的動態(tài)范圍將是十分有益的。CMOS圖像傳感器通過多斜率操作實現(xiàn)了這一目標：轉(zhuǎn)換曲線由傾度不同的直線部分所組成，它們共同形成了一個非線性特征曲線。因此，一幅場景的黑暗部分有可能占據(jù)集成模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換范圍的很大一部分：轉(zhuǎn)換特征曲線在這里最為陡峭，以實現(xiàn)高靈敏度和對比度。特征曲線上半部分的平整化將在圖像的明亮部分捕獲幾個數(shù)量級的過度曝光，并以一個更加細致的標度來表現(xiàn)它們。采用多斜率的方式來運作LUPA-4000將使高達90dB的光動態(tài)范圍與一個10位A/D轉(zhuǎn)換范圍相匹配。

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具有VGA分辨率的IM-001系列CMOS圖像傳感器在此基礎(chǔ)上更進一步;它們是專為汽車應(yīng)用而設(shè)計的。其像素由光電二極管組成，可提供高達120dB的自適應(yīng)動態(tài)范圍。面向汽車應(yīng)用的ACM100相機模塊就采用了這些傳感器，這種相機模塊據(jù)稱是同類產(chǎn)品中率先面市的全集成化相機解決方案：該視覺解決方案被看作是面向駕駛者保護、防撞、夜視支持和輪胎跟蹤導向的未來汽車安全系統(tǒng)的關(guān)鍵元件。

此外，對于獨立于電網(wǎng)的便攜式應(yīng)用而言，以低功耗特性而著稱的CMOS技術(shù)還具有一個明顯的優(yōu)勢：CMOS圖像傳感器是針對5V和3.3V電源電壓而設(shè)計的。而CCD芯片則需要大約12V的電源電壓，因此不得不采用一個電壓轉(zhuǎn)換器，從而導致功耗增加。在總功耗方面，把控制和系統(tǒng)功能集成到CMOS傳感器中將帶來另一個好處：它去除了與其他半導體元件的所有外部連接線。其高功耗的驅(qū)動器如今已遭棄用，這是因為在芯片內(nèi)部進行通信所消耗的能量要比通過PCB或襯底的外部實現(xiàn)方式低得多。

擴展光譜靈敏度和提高分辨率是大趨勢

在現(xiàn)代CMOS圖像傳感器中，一個重要的發(fā)展趨勢是其光譜靈敏度擴展到了近紅外區(qū)NIR(至約1，100nm的波長)。配備了IM-001CMOS圖像傳感器的汽車應(yīng)用將改善霧穿透力和夜視能力。由于工業(yè)圖像捕獲技術(shù)開始運用更多波長位于NIR之中的光源，而且生物技術(shù)也在利用該光譜區(qū)域中的有趣現(xiàn)象，因此，新開發(fā)的IBIS5-AE-1300傳感器具有700～900nm的NIR靈敏度。

在面向消費應(yīng)用的圖像捕獲技術(shù)中，另一個發(fā)展趨勢是繼續(xù)提高分辨率。到2005年年中，70%左右的手機相機已具有VGA格式分辨率(640×480像素);但隨后的2006年，幾百萬像素的傳感器就將占領(lǐng)50%的市場份額，而到2008年，其市場占有率預計將進一步攀升至90%以上。為此，賽普拉斯公司開發(fā)了一種用于蜂窩電話的300萬像素圖像傳感器，該產(chǎn)品采用了Autobrite技術(shù)，可進行12位模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換，并提供了72dB的寬廣動態(tài)范圍，而目前市面上的10位模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器的動態(tài)范圍僅為60dB。逐行掃描模式中的幀速率高達30幀/秒，因而可錄制實況視頻節(jié)目。

在工業(yè)和商業(yè)領(lǐng)域中，這種發(fā)展趨勢也很明顯：賽普拉斯已推出一款用于Kodak數(shù)碼相機的1，300萬像素/35mm圖像傳感器，另外，660萬像素的IBIS4-6600傳感器正在一種面向弱視人群的自動閱讀輔助裝置中證明自己的卓越品質(zhì)——它可在一幅完整的標準A4頁面上提供出色的分辨率。

憑借技術(shù)實現(xiàn)系統(tǒng)集成由于蜂窩電話、數(shù)碼相機、MP3播放機和PDA等傳統(tǒng)分離型功能設(shè)備的加速數(shù)字融合(即成為一部緊湊的消費型電子產(chǎn)品)，導致人們越來越希望至少具有部分自主性的子系統(tǒng)能夠在一部設(shè)備中提供極為寬泛的功能。這種趨勢還將對專業(yè)測量技術(shù)產(chǎn)生影響：利用包含一個數(shù)碼相機、PDA用戶接口和WLAN聯(lián)網(wǎng)能力的便攜式檢驗工具，光測試和監(jiān)視的應(yīng)用范圍將得到有效的拓展。作為一種平臺技術(shù)，CMOS符合這一發(fā)展潮流：CCD圖像轉(zhuǎn)換器仍然需要采用外部邏輯電路來實現(xiàn)控制和模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換功能，而CMOS標準邏輯器件則能夠把傳感器、控制器、轉(zhuǎn)換器和評估邏輯電路等全部集成到一塊芯片之中。

一個典型的例子如專門針對要求苛刻的消費應(yīng)用而制作的CYIWCSC1300AA芯片的圖像捕獲電路。它基于130萬像素圖像傳感器CYIWOSC1300AA和一個用于提供誤差插補、黑電平調(diào)整、透鏡校正、信號互串校正、彩色馬賽克修補、彩色校正、自動曝光、噪聲抑制、特效和γ校正等等諸多功能的附加信號處理器。集成更多的系統(tǒng)功能(一直到自主型光電傳感器系統(tǒng))是可行的，這主要取決于諸如市場容量和開發(fā)成本等經(jīng)濟目標和限制因素。

IMSResearch公司的資深市場分析家JohnMorse指出：“工業(yè)圖像處理市場的變化非?？?，不光是在技術(shù)層面上，而且還涉及近期發(fā)生的制造商合并事件。我們認為這種趨勢還將繼續(xù)下去。”果真如此，那么這同樣適用于賽普拉斯公司：通過收購MIT(美國麻省理工學院)于1999年成立的SMalCameraTechnologies公司，賽普拉斯已將其業(yè)務(wù)觸角延伸到了消費和汽車領(lǐng)域;而兼并FillFactory(這是一家于1999年從總部位于比利時Leuven的著名歐洲微電子和納米技術(shù)研究中心IMEC抽資脫離而成的公司)則使賽普拉斯進一步躋身工業(yè)領(lǐng)域。

CMOS圖像傳感器市場正在蓬勃發(fā)展之中，即將成為一個大規(guī)模市場。它在很大程度上仍然依賴于客戶專用設(shè)計來滿足規(guī)格和系統(tǒng)集成方面的一組定制要求。不過，它將越來越多地提供通用的標準解決方案。分辨率、幀速率和靈敏度的提高以及成本的下降正使其應(yīng)用領(lǐng)域不斷地擴大。