CMOS图像传感器在安防摄像机中的应用

　　CMOS和CCD图像传感器概述

　　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最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Image Sensor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最重要的影像传感器应用组件，其中应用占比最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成长最快的应用市场。

　　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CMOS Sensor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感光能力的最直接办法。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。

　　结束语

　　ISP是CMOS和CCD摄像机中的重要器件，ISP主要负责对传感器中出来的图像数据进行后处理。直接从传感器中得到的图像是很糟糕的，不论色彩还是细节都与实际图像有很大差距，只能看到图像的中物体的大致轮廓。经过ISP的处理，包括内插、去噪、去坏点、边缘加强、肤色矫正、白平衡等操作后，可以使图像变的更加细腻，更加贴近真实世界中的图像。ISP的主要功能包括线性纠正、噪声去除、坏点去除、内插、白平衡、自动曝光控制等。

　　随着CMOS传感器和ISP芯片技术的快速进步，广大摄像机厂家将会有更多的功能丰富的方案选择，CMOS传感器在安防摄像机中将会得到越来越多的应用。

　　（作者单位：上海富瀚微电子有限公司）