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CMOS感光元件成像原理及应用优势
來源:本站  訪問數:485  發佈時間:2015-07-22 11:04:33

影像传感器对成像效果起着至关重要的作用,像素越高,影像传感器内部集成的感光电极也越多,同时我们也应该想到提升像素势必要涉及到制造成本,每提高一个等级,数码相机的价格都要高出一截,而且提升到一定程度后,CCD传感器由于制造工艺的限制,短时间内很难再有所突破。

目前主流的DSLR机型使用的CCD最多为600万像素左右,即使现在索尼生产出了700万、800万像素的CCD,但想要将其安置在DSLR机身内的话,最终效果只能是与预期效果背道而驰不合实际。而CMOS传感器却高达1600万像素以上。 

CMOS的成像原理

CMOS可细分为被动式像素传感器(PassivePixelSensorCMOS)与主动式像素传感器(ActivePixelSensorCMOS)。它原本是计算机系统内一种重要的芯片,保存了系统引导最基本的资料。可是有人偶然间发现,将CMOS加工也可以作为数码相机中的影像传感器,紧跟着就由XirLink公司于1999年首次推向市场,2000年5月,美国Omnivision公司又推出了新一代的CMOS芯片。

CMOS最初曾被尝试使用在数码相机上,但与当时如日中天的CCD相比信噪比差,敏感度不够,所以没能占居主流位置。当然它也具备多种优点,普通CCD必须使用3个以上的电源电压,可是CMOS在单一电源下就可以运作,与CCD产品相比同像素级耗电量小。另外CMOS是标准工艺制程,可利用现有的半导体制造流水线,不需额外投资生产设备,并且品质可随半导体技术的进步而提升。

从技术角度分析成像原理,核心结构上每单位像素点由一个感光电极、一个电信号转换单元、一个信号传输晶体管,以及一个信号放大器所组成。理论上CMOS感受到的光线经光电转换后使电极带上负电和正电,这两个互补效应所产生的电信号(电流或者电势差)被CMOS从一个一个像素当中顺次提取至外部的A/D(模/数)转换器上再被处理芯片记录解读成影像。

具体工作时先由水平传输部采集信号,再由垂直传输部送出全部信号,故CMOS传感器可以在每个像素基础上进行信号放大,采用这种方法可进行快速的数据扫描,能够胜任千万像素级别的信息处理速率,单凭这点CCD就是望尘莫及的。

虽然CMOS当时有许多缺点,但是这些年来已找到了切实可行的解决办法,佳能算是CMOS领域中造诣最深的厂商,它在2001年对CMOS技术作出了革命性的变更设计,目前其他几家技术都有佳能的技术影子。

a.偏面消除噪点技术。为了消除每个像素的漂移和噪点,原传感器控制部分经过重新的排线设计包含了一个增幅回路,它只吸收噪点信号而不处理光学信号,可以从光学信号中去除噪点部分令传感器以很高的信噪比读取信号。

b.全像素电荷转移技术。由于每次读取信号时,初始值都会变化,只依靠传感器控制回路上的消除噪点技术无法完美地解决这个问题,通过引进全像素电荷转移技术,即可维持光学信号和实现高信噪比处理。

c.传感器模拟处理技术。传感器控制电气回路上集成一个PGA可编程增益转换器,有效地降低了噪点,并加速了信号输出能力,让每秒约3张的高速连续拍摄成为可能。

CMOS发展的未来

从两种类型的传感器类型来看,CMOS在不改造制造流水线的情况下就能克服高像素制造工艺的困难,而且像素的提升也要比CCD来得稍微容易些。生产流水线正是CCD制造的软肋,随着CCD尺寸的增加,其生产线也往往要做相应的调整,因此这也是高像素CCD国际市场千颗售价高居不下的原因。基本上在CMOS方面像素数的提升与影响传感器尺寸的增加是相辅相成的,不至于出现此时CCD中出现的一幕——800万像素还在使用500万像素的2/3英寸框架这种啃老本的情况,故宽容度、信噪比等各方面都比小尺寸的CCD来的优越,这也正是800万像素CCD至今无法运用到DSLR机身中的原因之一。

开发使用CMOS当初只是佳能公司为了不受制于人的一个缓解之计,现在看来CMOS真的演绎了丑小鸭变白天鹅的神话。纵观目前安防市场上网络摄像机特别是高清网络摄像机,绝大部分都是采用CMOS的机型,像素数基本分为30万、130万、200万及500万象素。

由于CMOS品质的不断提升,生产成本的大幅度下降,CMOS已经占了半壁江山,更有取代CCD之势。

                  



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