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攝像機圖像傳感器：一文了解CMOS圖像傳感器攝像頭的進階設計方法

CMOS圖像傳感器廣泛應用于當今的數碼相機和手機，它利用了現有的CMOS制造工藝，已成為低成本圖像傳感設計方法。現在，有一種設計CMOS圖像傳感器攝像頭的進階方法——通過Ansys Lumerical與Ansys SPEOS之間的互操作，工程師能夠設計包含宏觀透鏡和微觀傳感器的攝像頭系統，且優化CMOS傳感器的效率。該工作流程能幫助工程師考慮真實照明條件，同時優化CMOS圖像傳感器。
Ansys SPEOS可預測系統的照明和光學性能。SPEOS使工程師能在宏觀尺度上研究光與機械幾何結構的相互作用，節省原型設計的時間與成本。
Ansys Lumerical提供納米光子仿真工具，讓用戶能在波長尺度上對光與幾何結構的相互作用進行建模，包括光學、電子和熱效應。
SPEOS和Lumerical可以共享各種應用的仿真信息，例如平視顯示器（HUD）、具有表面等離子體的系統、衍射光柵、發光結構、表面和體積散射、衍射光學元件等。CMOS傳感器攝像頭的新工作流程是這個不斷增加的應用列表中的新成員，結合SPEOS和Lumerical工具，Ansys為完整的光學系統提供了仿真解決方案。
在Ansys Lumerical FDTD（左）和Lumerical CHARGE（右）中建模的CMOS圖像傳感器
CMOS圖像傳感器攝像頭：
Ansys Lumerical FDTD可用于為CMOS圖像傳感器等納米光子器件的光學屬性建模。可得到的關鍵屬性包括：吸收光子的光學效率，以及襯底中的電子-空穴對生成速率。與Ansys Lumerical CHARGE耦合后，設計師能夠探索其他導入屬性，例如量子效率和串擾，這兩者都需要仿真電氣行為。Ansys Lumerical的FDTD和CHARGE可用于解決眾多設計難題，例如：背照式傳感器、光學和電子串擾的影響、微透鏡偏移或斜入射角幾何結構的優化，以及將彩色濾光片整合到復雜傳感器幾何結構時的效果。
與Ansys SPEOS結合使用時，工程師可以仿真整個攝像頭系統，把CMOS圖像傳感器攝像頭設計提升到新的水平。這有助于用戶探索CMOS圖像傳感器微觀效應、宏觀透鏡和電子子系統之間的復雜相互作用。由于其能夠預測照明性能，SPEOS可幫助工程師為攝像頭記錄的最終成像構建準確視圖。
無論是新一代手機攝像頭，還是科學或國防應用成像系統，SPEOS/Lumerical工作流程都能助力企業以更快速度和更低成本開發更優異的CMOS圖像傳感器攝像頭。
相關工具：
Ansys SPEOS
Ansys Lumerical
相關資料：
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來源：Ansys Blog

攝像機圖像傳感器：中國工程師最喜歡的10大CMOS圖像傳感器芯片

據Yole統計，2020年全球CMOS圖像傳感器（CIS）市場規模為207億美元，出貨量為70.08億顆。跟其它半導體器件一樣，CIS也因為疫情和生產周期長，以及各種市場因素，而導致采購和供應鏈緊張。Yole預計2021年將趨于平穩，銷售額相比2020年略有增長（3.2%），將達到214億美元，出貨量將達到74.53億顆。這一預測已經將CIS市場的關鍵因素考慮進去了，包括華為的CIS庫存降低、芯片短缺的不確定性，以及疫情后的消費者花費等。
若將CIS出貨量按應用市場細分，今年手機市場占比約為78.3%，計算機占12.9%，安防占4.3%，汽車占2.3%，消費電子占1.7%。預計到2026年，CIS整體增長率約為7.5%，其中手機市場低于整體增長，而汽車和安防市場增長都超過10%，消費電子和醫療市場增長最快，超過20%。
從CIS供應商來看，在2020年207億美元的銷售額中，索尼占據40%，其次是三星占22%，第三是豪威占12%，第四是ST占6%，第五格科微占4%，第六安森美占4%，SK海力士占2%，思特威占1%。三家國產CIS廠商的營收占比合計為17%。
雖然索尼仍然是CIS龍頭老大，但其市場份額卻在降低，華為手機下滑和其它CIS廠商的競爭是主要因素。第二位的三星因為有從設計、制造到終端設備的垂直整合優勢，而在手機CIS市場贏得更多份額，其最新CIS傳感器也因為與小米手機合作而有顯著增長。
臺積電是CIS的主要代工廠，在晶圓產能緊張的情況下索尼可以保證足夠產能供應，但像安森美等CIS廠商可能無法獲得足夠的產能。安森美雖然沒有出現嚴重短缺，但應該可以在汽車和物流攝像頭市場表現更好。豪威和思特威等中國廠商早就開始分散晶圓代工，反而沒有受到太大影響。格科微還開始啟動自己的晶圓生產線，以保證供應鏈的安全。
長期來看，CIS將會跟半導體整體市場保持基本一致的增長。Yole預測，未來5年的增長率約為5.4%，到2026年市場規模將達到284億美元。今年相對平穩，但2022年將會有9%的增長。雖然手機市場增長不明顯，但汽車、安防和工業醫療等市場都有超過10% 的增長。
為了讓工程師朋友對全球和中國CMOS圖像傳感器市場及產品有更為完整的了解，ASPENCORE旗下《電子工程專輯》分析師團隊分別從5大國際CIS廠商的產品系列中挑選5款CIS芯片，又從5家國產CIS廠商產品系列中挑選5款有代表性的CIS芯片。歡迎大家通過微信投票評選出“中國工程師最喜歡的10大CMOS圖像傳感器芯片”。
Top 5國際CMOS圖像傳感器
索尼智能視覺傳感器IMX 500/501
IMX 500/501是索尼發布的兩款具備AI處理功能的智能視覺傳感器，可在實現高速邊緣AI處理的同時只提取必要數據，從而減少使用云端服務時的數據傳輸延遲，保證隱私安全，并降低功耗和通信成本。IMX 500是裸片，而501是封裝產品，這種圖像傳感器拓寬了AI攝像頭的研發空間，可廣泛應用于零售和工業設備行業，并有助于構建與云端連接的優化系統。
該芯片采用背照式進光，有效像素約為1230萬，可以捕捉廣闊視角的圖像信息。除了傳統的圖像傳感器操作電路外，其邏輯芯片還配備了索尼的DSP（數字信號處理器），專門用于AI信號處理，并可存儲AI模型。這種配置無需高性能處理器或外部存儲，使其成為邊緣AI系統的理想選擇。
IMX 500/501性能參數列表如下：
該芯片采集的信號通過ISP（圖像信號處理器）進行處理，并在邏輯芯片的處理層進行AI運算，將提取的信息作為元數據輸出，可以減少需要處理的數據量。同時，不輸出圖像信息有助于降低安全風險和保證隱私安全。除了傳統圖像傳感器捕捉的圖像外，用戶還可以根據自己的需要和用途選擇數據輸出格式，包括ISP格式輸出圖像（YUV/RGB）和ROI（感興趣區域）特定區域提取圖像。
當使用傳統的圖像傳感器錄制視頻時，需要發送每一幀的視頻數據進行AI處理，導致數據傳輸量大，難以實時呈現結果。這種傳感器產品在邏輯芯片上進行ISP處理和高速AI運行（MobileNet V1*1 3.1毫秒處理），在一個視頻幀內完成整個過程。這種設計可以在錄制視頻的同時保證高精度、實時的目標追蹤。
三星GN2
三星ISOCELL GN2 CMOS傳感器擁有5000萬像素，單個像素面積為1.4μm，大小為1.12英寸。它支持智能 ISO Pro、Dual Pixel Pro（雙像素增強）以及像素四合一（Tetracell）多項技術。如果用戶需要1億高像素輸出，GN2還能通過智能算法，輸出紅色、綠色、藍色像素三張不同的單幀圖像，然后把它們合成為一張1億像素照片。此外，GN2還支持Staggered HDR、8K視頻、4K120P視頻多項特性。
GN2傳感器面積達到了1/1.12英寸，已經很接近1英寸大小，比索尼IMX 700（1/1.28英寸）還要大。它可支持像素四合一組成2.8um超大像素，從而吸收更多光線，拍攝出更明亮、更清晰的照片。
在對焦方面，ISOCELL GN2是三星首款支持Dual Pixel Pro(雙像素增強)技術的傳感器，每個像素可以分為左右兩半，使用相位差自動對焦。雙像素增強技術還可以跟四合一像素技術相結合，GN2也是首款同時支持2個技術的傳感器，無論任何場景下都可以快速對焦。
SK海力士A4C傳感器
SK海力士研發的A4C（All 4-Coupled）圖像傳感器在讀取色彩信息的同時，可利用每個像素的視差，提高圖像質量和自動對焦。A4C可以實現快速準確的對焦檢測、高分辨率圖像，適合多種應用場景。
A4C傳感器的自動對焦功能基于這樣一種機制：如果來自物體的不同光線匯聚至一個焦點，則物體處于對焦狀態；如果來自物體的不同光線未能匯聚至一個點，則物體處于失焦狀態。與現有的PDAF技術相比，A4C傳感器能夠計算每個像素的視差。換言之，A4C傳感器具有很高的精度，在低于10 勒克斯（lux）的弱光環境下也可以確保10倍以上精度。與利用雙眼視差的PDAF技術不同，A4C傳感器利用的是微透鏡下方位于上下左右四角的四個像素的視差。因此，A4C傳感器擁有非常出色的對焦檢測性能，能夠準確檢測水平或垂直方向的物體。
A4C傳感器的輸出圖像能以每個微透鏡下四個像素為一組的方式提高感光度，或通過將各個像素獨立輸出的方法來提高圖像分辨率（例如，A4C可以輸出5000萬像素分辨率的圖像或1250萬像素微透鏡分辨率的圖像）。如果傳感器將每個微透鏡下四個像素作為一組生成輸出圖像，圖像分辨率會降至單獨使用每個像素時的圖像分辨率的四分之一。但是，四個像素一組的方法可以將感光度提高四倍。因此，在夜間、弱光環境等光線不足的情況下，微透鏡分辨率（Micro lens resolution）傳感器的優勢更為明顯。
除了精準對焦檢測和捕捉高分辨率圖像外，A4C傳感器的優勢還包括它可以應用于一系列光場成像場景。光場成像是一種再現物體射線分布的技術，可以計算場景中的光線強度和光線源頭的精確方向，并將這些信息用于背景虛化（Bokeh）、再對焦（Refocus）和多視角（Multi-view）等計算機視覺應用。
安森美AR0231AT
AR0231AT 是一款 1/2.7 英寸 CMOS 數字圖像傳感器，帶有1928Hx1208V有效像素陣列。它具有LED 閃爍抑制 (LFM)功能，可消除交通標志和車輛 LED 照明中的高頻 LED 閃爍，讓交通標志讀取算法能夠在所有照明條件下運行。AR0231AT 使用最新的3.0微米背面照明 (BSI) 像素和安森美的DR-Pix技術，可提供雙重轉換增益，提高所有照明條件下的性能。它在線性、HDR 或 LFM 模式下捕捉圖像，可提供模式之間的幀到幀上下文切換。AR0231AT 還包含了支持 ASIL B 的功能。
高動態范圍：在1928×1208和30 fps時具有4曝光HDR，或在1928×1208和40 fps時3曝光HDR；
數據接口：4?lane MIPI CSI?2, Parallel, 或4?lane High Speed Pixel Interface (HiSPi) Serial Interface (SLVS and HiVCM)；
具有靈活曝光比控制功能的高級HDR
可以選擇自動或用戶控制黑色控制
幀到幀切換，支持多功能系統
支持擴散頻譜輸入時鐘
支持多相機同步
多CFA選項
AR0231AT適用于汽車和ADAS應用，比如1080p30視頻終端、高動態范圍成像儀，以及ADAS + Viewing Fusion等。
ST VG5761
這種車規級全局快門傳感器分辨率為2.3Mp，3.2μm像素，采用IM2BGA封裝，具有HDR和超低噪聲功能，在近紅外（NIR）場景中可以最小化交叉干擾。VG5761傳感器適合高性能計算機視覺應用。
其功能特性如下：
獲得AEC-Q100二級汽車認證；
高動態范圍（高達98dB線性）和高密度電荷存儲；
3.2 μm 像素 GS-HDR、單色、可見光和紅外光譜
光學格式：75 fps 下1.6 MP (1464 x1104) ，1/3”光學格式和微鏡頭；60fps 下2.3 MP (1944 x1204) ，1/2.5 英寸光學格式帶微鏡頭；
即使在近紅外（完美的像素封裝）下仍具有非常高的MTF；
帶數字 CDS 的低噪聲11位ADC；
從 RAW8 到 RAW16 分辨率的線性或壓縮輸出；
輸出接口：Mipi CSI-2 (4 x 0.8 Gbps)、并行12位(100 MHz)、相機控制接口（CCI）；
支持機器視覺應用；
像素內 HDR 和背景底色模式，具有靈活的頻閃照明控制；
多達 4 個 LED 控制輸出，與傳感器集成周期同步；
4 幀上下文可編程序列；
主/從外部幀啟動控制；
嵌入式 16 位視頻處理管道，具有像素缺陷校正、高動態范圍 (HDR) 合并與重影消除以及動態可編程壓縮；
鏡像/翻轉/裁剪；
支持 2 和 4 二次采樣；
支持按 2 和按 4 分箱；
集成雙溫度傳感器；
工作結溫為 -40 °C 至 125 °C；
采用符合汽車標準的 IM2BGA 塑料封裝；
用于可見光和紅外應用的大光譜鏡片，帶有雙增透膜；
支持ASIL B，例如CPU 冗余、嵌入式完全自檢、內存和寄存器 ECC、安全管理器和電壓監控；
單色微透鏡（針對 20 °C 和 0 °C 優化的最大 CRA）
Top 5國產CMOS圖像傳感器
豪威OV60A
作為全球首款0.61微米像素高分辨率CMOS圖像傳感器，OV60A提供6000萬像素分辨率，像素尺寸僅為0.61微米，在同類產品中是最小的。OV60A采用1/2.8英寸光學格式，長寬比配置為4:3或16:9。OV60A上的四合一彩色濾光片陣列使用近像素合并功能以四倍的靈敏度輸出高達1500萬像素的圖像，為預覽和原生4K視頻提供相當于1.22微米的等效性能，并具有電子圖像穩定（EIS）所需的額外像素。這款傳感器還支持用于“常開”感測的低功耗模式，與手機的人工智能功能配合使用時，可以節省寶貴的電池壽命。
性能參數如下：
自動黑電平矯正（ABLC）
可編程控制用于幀率、鏡像和反轉、分箱、裁剪和視窗
支持動態DPC
輸出格式支持：正常模式10位RGB RAW、ULP模式8位RGB RAW
支持水平和垂直二次采樣
支持環境光感應（ALS）模式
支持超低功耗（ULP）模式
多達4路MIPI D-PHY TX接口，速度高達3.0 Gbps/路
2/3三重C-PHY接口，速度高達3.0 Gbps/trio
標準串行SCCB接口
HDR支持：交錯HDR 2/3曝光時間
為了提高分辨率，同時降低像素尺寸和光學格式，OV60A采用豪威科技的PureCel?Plus-S晶片堆疊技術。與上一代0.7微米像素相比，新的0.61微米像素面積減少了24％，但是量子效率（QE）更高，串擾和角響應更好。OV60A能夠以60幀/秒的速度輸出具有EIS分辨率的1500萬像素或4K/2K視頻，并支持交錯式HDR定時，以實現高動態范圍視頻。“常開”的低功率模式包括用于喚醒的環境光感測模式以及低功率流模式。這款傳感器還支持雙I/O電壓軌（1.8V和1.2V）以及CPHY接口。
OV60A適用于智能手機、PC多媒體和視頻會議等。
思特威SC132GS
SC132GS采用思特威SmartGS技術，具有130萬BSI像素以及 2.7μm*2.7μm的光學尺寸，它擁有120fps高幀率，支持多種接口（MIPI/LVDS），采用COB/Fan-out封裝形式，感光度可達7000mV/Lux·s。
出色的快門效率（>99.99%）
支持單幀HDR
近紅外環境下擁有超高感度(QE@940nm>40%)
120fps 高幀率
基于BSI Stacked工藝的全局快門技術
SC132GS搭載了單幀HDR技術，并結合改進的PRNU性能和拐點偏差校準功能，確保圖像傳感器在復雜的應用（運動）與光照場景下對于圖像信息的精準捕捉，并在同類已有產品中擁有最高的QE性能數據。通過多種領先的技術優勢結合，SC132GS在縮小像素尺寸和降低功耗的同時大幅優化了快門效率及感光度，減少漏光和噪聲，并解決了包括“果凍效應”在內的諸多機器視覺成像問題。
SC132GS可為智能終端及時提供無形變、無偽影的高清可識別影像，為系統進行精確判斷提供堅實的基礎，目前在已應用于消費級人臉識別、無人機避障識別、智能翻譯筆以及掃地機器人等智能終端。
格科微GC2053
格科微安防和車載高清感光芯片GC2053是一顆感光區為1/2.9英寸的全高清規格CMOS圖像傳感器，單個像素達到2.8*2.8微米，可通過DVP或MIPI接口實現30幀每秒的穩定輸出。
其實安防和車載等領域的攝像頭應用與手機端有很大的區別。很多監控攝像頭會安裝在室外的環境，汽車也會長期遭受烈日暴曬。因此，圖像傳感器的工作溫度經常會超過60℃，甚至更高。此外，監控和汽車運行的場景很多時候都發生在夜晚，那就對圖像傳感器在暗態下的性能表現也提出了很高的要求。如何去控制或解決在以上應用環境中產生的噪聲、黑點、感光以及穩定性方面的問題，改善傳感器成像質量，提升消費者使用體驗，成為一款安防或車載產品能否成功的關鍵點。
從2018年開始，格科微對非手機領域產品的戰略投入持續加大，配備獨立的研發團隊，應用其先進的像素工藝和電路設計工藝成功開發了一系列高性能產品。在高溫場景下，格科微產品通過降低Si界面缺陷, 抑制熱電子的捕獲與釋放, 從而達到降低暗電流與熱噪的效果（暗電流降低15%, 熱噪降低10%）。在低照環境下，GC2053產品采用暗信號讀出增強技術，可以保證光生電子的全部讀出, 從而降低黑點與暗信號非均勻度（DSNU）。實測表明，DSNU 降低了20%。
長光辰芯GMAX
長春長光辰芯光電技術有限公司最新推出的GMAX是一款1.52億像素分辨率、全局快門CMOS芯片。GMAX是該公司GMAX系列像素分辨率最高的一款產品，也是目前市場上已知的分辨率最高的全局快門CMOS芯片。
GMAX與長光辰芯已經發布的GMAX（103 MP）采用相同的像素平臺，其滿阱容量可以達到9.3ke-，噪聲水平為4e-，使得其動態范圍可達67.3dB。該芯片采用38對sub-LVDS進行數據輸出，單通道速率為960 MHz，總數據率高達36.48Gbps ，采用12bit ADC，最高幀頻達16幀/秒，同時支持通道合并功能可靈活適配在多種工業相機接口。
GMAX采用183針μPGA陶瓷封裝，外形尺寸為68.2mm x 52mm，其封裝背部留有較大空白空間，以方便相機進行散熱設計。
銳芯微BG0808
銳芯微BG0808 是一款1/2.7英寸、2M BSI超低照度圖像傳感器，有效像素為1928H x 1088V。它采用3uBSI像素，擁有極佳的感光靈敏度和信噪比，同時還支持2幀Stagger HDR曝光方式。它可實現高動態范圍，最高支持60fps高幀率，同時支持單幀和多幀的曝光觸發；MIPI/DVP圖像輸出接口經過特別的優化，芯片面積和功耗大大提升了費效比；高溫度工作范圍，完美適應苛刻的工作環境。
其功能特性如下：
3um*3um 高靈敏度BSI pixel
單幀和多幀的觸發曝光操作
支持最多2-lane MIPI接口
自動黑電平矯正
最高60fps@full frame
ADC量化精度最高12bits
BG0808適用于高端監控、行車記錄儀和網絡攝像機等。
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攝像機圖像傳感器：圖像傳感器

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圖像傳感器
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圖像傳感器是利用光電器件的光電轉換功能將感光面上的光像轉換為與光像成相應比例關系的電信號。與光敏二極管，光敏三極管等“點”光源的光敏元件相比，圖像傳感器是將其受光面上的光像，分成許多小單元，將其轉換成可用的電信號的一種功能器件。圖像傳感器分為光導攝像管和固態圖像傳感器。與光導攝像管相比，固態圖像傳感器具有體積小、重量輕、集成度高、分辨率高、功耗低、壽命長、價格低等特點。因此在各個行業得到了廣泛應用。
[1]
中文名
圖像傳感器
外文名
image sensor
別    名
感光元件
分    類
CCD，CMOS
定    義
組成數字攝像頭的重要組成部分
目錄
1
CCD
?
應用
?
歷史
?
特點
2
CMOS
?
特點
?
歷史
?
市場
?
發展
3
技術參數
4
發展現狀
圖像傳感器CCD
編輯
語音
CCD是應用在攝影攝像方面的高端技術元件，CMOS則應用于較低影像品質的產品中，它的優點是制造成本較CCD更低，功耗也低得多，這也是市場很多采用USB接口的產品無須外接電源且價格便宜的原因。盡管在技術上有較大的不同，但CCD和CMOS兩者性能差距不是很大，只是CMOS攝像頭對光源的要求要高一些，但該問題已經基本得到解決。CCD元件的尺寸多為1/3英寸或者1/4英寸，在相同的分辨率下，宜選擇元件尺寸較大的為好。圖像傳感器又叫感光元件。
圖像傳感器應用
CMOS圖像傳感器
圖像傳感器
[2]
，或稱感光元件，是一種將光學圖像轉換成電子信號的設備，它被廣泛地應用在數碼相機和其他電子光學設備中。早期的圖像傳感器采用模擬信號，如攝像管（video camera tube）。隨著數碼技術、半導體制造技術以及網絡的迅速發展，市場和業界都面臨著跨越各平臺的視訊、影音、通訊大整合時代的到來，勾劃著未來人類的日常生活的美景。以其在日常生活中的應用，無疑要屬數碼相機產品，其發展速度可以用日新月異來形容。短短的幾年，數碼相機就由幾十萬像素，發展到400、500萬像素甚至更高。不僅在發達的歐美國家，數碼相機已經占有很大的市場，就是在發展中的中國，數碼相機的市場也在以驚人的速度在增長，因此，其關鍵零部件——圖像傳感器產品就成為當前以及未來業界關注的對象，吸引著眾多廠商投入。以產品類別區分，圖像傳感器產品主要分為CCD、CMOS以及CIS傳感器三種。本文將主要簡介CCD以及CMOS傳感器的技術和產業發展現狀。
圖像傳感器歷史
感光器件是工業攝像機最為核心的部件，圖像傳感器有CMOS和CCD兩種。CCD特有的工藝，具有低照度效果好、信噪比高、通透感強、色彩還原能力佳等優點，在交通、醫療等高端領域中廣泛應用。由于其成像方面的優勢，在很長時間內還會延續采用，但同時由于其成本高、功耗大也制約了其市場發展的空間。CCD與CMOS在不同的應用場景下各有優勢，但隨著CMOS工藝和技術的不斷提升，以及高端CMOS價格的不斷下降，相信在安防行業高清攝像機未來的發展中，CMOS將占據越來越重要的地位。
CCD（Charged Coupled Device）于1969年在貝爾試驗室研制成功，之后由日商等公司開始量產，其發展歷程已經將近30多。CCD又可分為線型（Linear）與面型（Area）兩種，其中線型應用于影像掃瞄器及傳真機上，而面型主要應用于數碼相機（DSC）、攝錄影機、監視攝影機等多項影像輸入產品上。
圖像傳感器特點
一般認為，CCD傳感器有以下優點：高解析度（High Resolution）：像點的大小為μm級，可感測及識別精細物體，提高影像品質。從1寸、1/2寸、2/3寸、1/4寸到推出的1/9寸，像素數目從10多萬增加到400～500萬像素；低雜訊（Low Noise）高敏感度：CCD具有很低的讀出雜訊和暗電流雜訊，因此提高了信噪比（SNR），同時又具高敏感度，很低光度的入射光也能偵測到，其訊號不會被掩蓋，使CCD的應用較不受天候拘束；動態范圍廣（High Dynamic Range）：同時偵測及分辨強光和弱光，提高系統環境的使用范圍，不因亮度差異大而造成信號反差現象。良好的線性特性曲線（Linearity）：入射光源強度和輸出訊號大小成良好的正比關系，物體資訊不致損失，降低信號補償處理成本；高光子轉換效率（High Quantum Efficiency ）：很微弱的入射光照射都能被記錄下來，若配合影像增強管及投光器，即使在暗夜遠處的景物仍然還可以偵測得到；大面積感光（Large Field of View）：利用半導體技術已可制造大面積的CCD晶片，與傳統底片尺寸相當的35mm的CCD已經開始應用在數碼相機中，成為取代專業有利光學相機的關鍵元件；光譜響應廣（Broad Spectral Response）：能檢測很寬波長范圍的光，增加系統使用彈性，擴大系統應用領域；低影像失真（Low Image Distortion）：使用CCD感測器，其影像處理不會有失真的情形，使原物體資訊忠實地反應出來；體積小、重量輕CCD具備體積小且重量輕的特性，因此，可容易地裝置在人造衛星及各式導航系統上；低秏電力不受強電磁場影響；9.　電荷傳輸效率佳：該效率系數影響信噪比、解像率，若電荷傳輸效率不佳，影像將變較模糊；10.　可大批量生產，品質穩定，堅固，不易老化，使用方便及保養容易。根據In-Stat在2001時對全球圖像傳感器的研究報告中指出，CCD產業前七大廠商皆為日系廠商，占了全球98.5%的市場份額，在技術發展方面，較有特色的主要廠商應為索尼、飛利普和柯達公司。
圖像傳感器CMOS
編輯
語音
圖像傳感器特點
CMOS傳感器采用一般半導體電路最常用的CMOS工藝，具有集成度高、功耗小、速度快、成本低等特點，最近幾年在寬動態、低照度方面發展迅速。CMOS即互補性金屬氧化物半導體，主要是利用硅和鍺兩種元素所做成的半導體，通過CMOS上帶負電和帶正電的晶體管來實現基本的功能。這兩個互補效應所產生的電流即可被處理芯片記錄和解讀成影像。在模擬攝像機以及標清網絡攝像機中，CCD的使用最為廣泛，長期以來都在市場上占有主導地位。CCD的特點是靈敏度高，但響應速度較低，不適用于高清監控攝像機采用的高分辨率逐行掃描方式，因此進入高清監控時代以后，CMOS逐漸被人們所認識，高清監控攝像機普遍采用CMOS感光器件。CMOS針對CCD最主要的優勢就是非常省電。不像由二級管組成的CCD，CMOS電路幾乎沒有靜態電量消耗。這就使得CMOS的耗電量只有普通CCD的1/3左右，CMOS重要問題是在處理快速變換的影像時，由于電流變換過于頻繁而過熱，暗電流抑制的好就問題不大，如果抑制的不好就十分容易出現噪點。已經研發出720P與1080P專用的背照式CMOS器件，其靈敏度性能已經與CCD接近。與表面照射型CMOS傳感器相比，背照式CMOS在靈敏度（S/N）上具有很大優勢，顯著提高低光照條件下的拍攝效果，因此在低照度環境下拍攝，能夠大幅降低噪點。雖然以CMOS技術為基礎的百萬像素攝像機產品在低照度環境和信噪處理方面存在不足，但這并不會根本上影響它的應用前景。而且相關國際大企業正在加大力度解決這兩個問題，相信在不久的將來，CMOS的效果會越來越接近CCD的效果，并且CMOS設備的價格會低于CCD設備。安防行業使用CMOS多于CCD已經成為不爭的事實，盡管相同尺寸的CCD傳感器分辨率優于CMOS傳感器，但如果不考慮尺寸限制，CMOS在量率上的優勢可以有效克服大尺寸感光原件制造的困難，這樣CMOS在更高分辨率下將更有優勢。另外，CMOS響應速度比CCD快，因此更適合高清監控的大數據量特點。
圖像傳感器歷史
與CCD相比，CMOS具有體積小，耗電量不到CCD的1/10，售價也比CCD便宜1/3的優點。與CCD產品相比，CMOS是標準工藝制程，可利用現有的半導體設備，不需額外的投資設備，且品質可隨著半導體技術的提升而進步。同時，全球晶圓廠的CMOS生產線較多，日后量產時也有利于成本的降低。另外，CMOS傳感器的最大優勢，是它具有高度系統整合的條件。理論上，所有圖像傳感器所需的功能，例如垂直位移、水平位移暫存器、時序控制、CDS、ADC…等，都可放在集成在一顆晶片上，甚至于所有的晶片包括后端晶片（Back-end Chip）、快閃記憶體（Flash RAM）等也可整合成單晶片（SYSTEM-ON-CHIP），以達到降低整機生產成本的目的。正因為此，投入研發、生產的廠商較多，美國有30多家，歐洲7家，日本約8家，韓國1家，臺灣有8家。而居全球翹楚地位的廠商是Agilent(HP)，其市場占有率51%、ST(VLSI Vision)占16%、Omni Vision占13%、現代占8%、Photobit約占5%，這五家合計市占率達93%。根據In-Stat統計資料顯示，CMOS傳感器的全球銷售額到2004年可望突破18億美元，CMOS將以62%的年復合成長率快速成長，逐步侵占CCD器件的應用領域。特別是在2013年快速發展的手機應用領域中，以CMOS圖像傳感器為主的攝相模塊將占領其80%以上的應用市場。
圖像傳感器市場
CMOS圖像傳感器屬于新興產品市場，其市場占有率變化不如成熟產業那般恒常不變，例如在1999年時，CMOS市場中，按照出貨比例排名依序為Agilent、OmniVision、STM和Hyundai，其市場占有率分別為24%、22%、14%和14%，其中STM是歐洲廠商，Hyundai是韓國廠商；但只經過一年后的市場競爭，Agilent和OmniVision出貨排名順序仍然分居一、二，且市場占有率分別提升到37.7%和30.8%，而STM落居第四，市場占有率大幅滑落至4.8%，至于Hyundai更是大幅衰退只剩2.1%的市場占有率，值得一提的是Photobi在2000年度的大幅成長，全球市場占有率快速成長至13.7%，排名全球第三。這三家廠商出貨量就占全球出貨量的82.2%。從中可以分析，這個產業的廠商集中度相當密集，所以觀察上述三家廠商的動態和發展，可看出許產業和技術未來發展方向。Agilent主要的產品為第二代的CIF（352*288）HDCS-1020和第二代的VGA（640*480）HDCS-2020，主要應用在數碼相機 、行動電話、PDA、PC Camera等新興的資訊家電產品之中，此外Agilent在2000年另一成功策略是和Logitech與Microsoft這兩家公司策略聯盟，打入了光學鼠標產品領域，但是這是非常低階的CMOS產品，而且不是為了捕捉影像 ，所以在做影像感測器的全球統計時并未將此數量一并加入，但是此舉可看出Agilent以CMOS技術為基礎進軍光學元件的規劃意圖。OmniVision它主要的產品包括︰CIF（352 x 288）、VGA（640 x 480）、SVGA（800 x 600）和SXGA（1280 x 1024）。Omnivision開發的130萬像素等級的CMOS圖像傳感器正在被業界大量應用在數碼相機中。業界一般認為，百萬像素為使用CMOS和CCD的分水嶺，CMOS成功跨進這一市場，足以說明CMOS技術發展對市場的滲透度，未來可能將取代CCD成為中低檔影像產品的不留應用。Omnivision在2001年5月開發的CIF(352 x 288)等級的CMOS傳感器，其特色為低秏電，目標市場定位在移動電話上，其產品發展策略和各大研究調查機構不謀而合，在移動電話市場上，CMOS模組的攝相模塊已經成為移動通訊應用的最大量產品。Photobit在2000年獲得較大成功。2001年Photobit率先研發出PB-0330產品型號的CMOS圖像傳感器，此產品特色具備單一晶片邏輯轉數位的變頻器，它是第二代1/4寸的VGA（640 x 480），同時也推出PB-0111產品型號的CMOS影像感測器，是第二代1/5寸的CIF（352 x 288）。Photobit推出這兩種產品主要針對數碼相機和PC Camera的數位化產品，和OmniVision CIF（352 x 288）定位在行動電話市場上有所區隔，其推出CIF（352 x 288）和VGA（640 x 480）這兩種不同解析程度的影像感測器，行銷范圍意圖含蓋低階和中高階市場。
圖像傳感器發展
2013年業界發展了CMOS圖像傳感器新技術--C3D。C3D技術的最大特點就是像素反應的均一性。C3D技術重新定義了成像器的性能（即把系統的整體性能包括在內）并提高了CMOS圖像傳感器在均一性和暗電流方面的標準性能。2014年初，美國Foveon公司公開展示了其最新發展的Foveon X3技術，立即引起業界的高度關注。Foveon X3是全球第一款可以在一個像素上捕捉全部色彩的圖像傳感器陣列。傳統的光電耦合器件只能感應光線強度，不能感應色彩信息，需要通過濾色鏡來感應色彩信息，我們稱之為Bayer濾鏡。而Foveon X3在一個像素上通過不同的深度來感應色彩，最表面一層感應藍色、第二層可以感應綠色，第三層感應紅色。它是根據硅對不同波長光線的吸收效應來達到一個像素感應全部色彩信息，已經有了使用這種技術的CMOS圖像傳感器，其應用產品是“Sigma SD9”數碼相機。這項革新技術可以提供更加銳利的圖像，更好的色彩，比起以前的圖像傳感器，X3是第一款通過內置硅光電傳感器來檢測色彩的。Foveon X3的技術對于傳統半導體感光技術來說有很大的突破，也有顛覆傳統技術的效果，相信Foveon X3會有很好的前景。在高分辨率像素產品方面，日前臺灣銳視科技已領先業界批量推出了210萬像素的CMOS圖像傳感器，而且已有美商與臺灣的光學鏡頭廠合作，將在第三季推出此款CMOS傳感器結合鏡頭的模組，CMOS應用已經開始在200萬像素數碼相機產品中應用。對比CCD提供很好的圖像質量、抗噪能力和相機設計時的靈活性。盡管由于增加了外部電路使得系統的尺寸變大，復雜性提高，但在電路設計時可更加靈活，可以盡可能的提升CCD相機的某些特別關注的性能。CCD更適合于對相機性能要求非常高而對成本控制不太嚴格的應用領域，如天文，高清晰度的醫療X光影像、和其他需要長時間曝光，對圖像噪聲要求嚴格的科學應用。CMOS是能應用當代大規模半導體集成電路生產工藝來生產的圖像傳感器，具有成品率高、集成度高、功耗小、價格低等特點。CMOS技術是世界上許多圖像傳感器半導體研發企業試圖用來替代CCD的技術。經過多年的努力，作為圖像傳感器，CMOS已經克服早期的許多缺點，發展到了在圖像品質方面可以與CCD技術較量的水平。CMOS的水平使它們更適合應用于要求空間小、體積小、功耗低而對圖像噪聲和質量要求不是特別高的場合。如大部分有輔助光照明的工業檢測應用、安防保安應用、和大多數消費型商業數碼相機應用。
圖像傳感器技術參數
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了解CCD和CMOS芯片的成像原理和主要參數對于產品的選型時非常重要的。同樣，相同的芯片經過不同的設計制造出的相機性能也可能有所差別。CCD和CMOS的主要參數有以下幾個：1. 像元尺寸像元尺寸指芯片像元陣列上每個像元的實際物理尺寸，通常的尺寸包括14um,10um, 9um , 7um , 6.45um ,3.75um 等。像元尺寸從某種程度上反映了芯片的對光的響應能力，像元尺寸越小，能夠接收到的光子數量越多，在同樣的光照條件和曝光時間內產生的電荷數量越多。對于弱光成像而言，像元尺寸是芯片靈敏度的一種表征。2. 靈敏度靈敏度是芯片的重要參數之一，它具有兩種物理意義。一種指光器件的光電轉換能力，與響應率的意義相同。即芯片的靈敏度指在一定光譜范圍內，單位曝光量的輸出信號電壓（電流），單位可以為納安/勒克斯nA/Lux、伏/瓦（V/W）、伏/勒克斯（V/Lux）、伏/流明（V/lm）。另一種是指器件所能傳感的對地輻射功率（或照度），與探測率的意義相同，。單位可用瓦（W）或勒克斯（Lux）表示。3. 壞點數由于受到制造工藝的限制，對于有幾百萬像素點的傳感器而言，所有的像元都是好的情況幾乎不太可能，壞點數是指芯片中壞點（不能有效成像的像元或相應不一致性大于參數允許范圍的像元）的數量，壞點數是衡量芯片質量的重要參數。4. 光譜響應光譜響應是指芯片對于不同光波長光線的響應能力，通常用光譜響應曲線給出。從產品的技術發展趨勢看，無論是CCD還是CMOS，其體積小型化及高像素化仍是業界積極研發的目標。因為像素尺寸小則圖像產品的分辨率越高、清晰度越好、體積越小，其應用面更廣泛。從上述二種圖像傳感器解析度來看，未來將有幾年時間，以130萬像素至200萬像素為界，之上的應用領域中，將仍以CCD主流，之下的產品中，將開始以CMOS傳感器為主流。業界分析2014年底至2015初，將有300萬像素的CMOS上市，預測CMOS市場應用超越CCD的時機一般在2004年-2005年。
圖像傳感器發展現狀
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圖像傳感器的視訊比是給定的，使用高清(HD)分辨率1080p，攝像機設計正朝使用更小的光學格式發展，導致需要更小的像素結構，以降低整體系統成本，同時不影響圖像性能或光靈敏度。CCD圖像傳感器由于靈敏度高、噪聲低，逐步成為圖像傳感器的主流。但由于工藝上的原因，敏感元件和信號處理電路不能集成在同一芯片上，造成由CCD圖像 傳感器組裝的攝像機體積大、功耗大。CMOS圖像傳感器以其體積小、功耗低在圖像傳感器市場上獨樹一幟。但最初市場上的CMOS圖像傳感器，一直沒有擺脫 光照靈敏度低和圖像分辨率低的缺點，圖像質量還無法與CCD圖像傳感器相比。如果把CMOS圖像傳感器的光照靈敏度再提高5倍～10 倍，把噪聲進一步降低，CMOS圖像傳感器的圖像質量就可以達到或略微超過CCD圖像傳感器的水平，同時能保持體積小、重量輕、功耗低、集成度高、價位低 等優點，如此，CMOS圖像傳感器就會取代CCD圖像傳感器，并且發展出更好的功效。由于CMOS圖像傳感器的應用，新一代圖像系統的開發研制得到了 極大的發展，并且隨著經濟規模的形成，其生產成本也得到降低。CMOS圖像傳感器的畫面質量也能與CCD圖像傳感器相媲美，這主要歸功于圖像傳感器 芯片設計的改進，以及亞微米和深亞微米級設計增加了像素內部的新功能。實際上，更確切地說，CMOS圖像傳感器應當是一個圖像系統。一 個典型的CMOS圖像傳感器通常包含：一個圖像傳感器核心(是將離散信號電平多路傳輸到一個單一的輸出，這與CCD圖像傳感器很相似)，所有的時序邏輯、 單一時鐘及芯片內的可編程功能，比如增益調節、積分時間、窗口和模數轉換器。事實上，當一位設計者購買了CMOS圖像傳感器后，他得到的是一個包括圖像陣 列邏輯寄存器、存儲器、定時脈沖發生器和轉換器在內的全部系統。與傳統的CCD 圖像系統相比，把整個圖像系統集成在一塊芯片上不僅降低了功耗，而且具有重量較輕，占用空間減少以及總體價格更低的優點。
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參考資料
1.

祝詩平．傳感器與檢測技術：北京大學出版社，中國林業出版社，2006年：209
2.

圖像傳感器最新新聞資訊
．OFweek傳感器網[引用日期2016-07-21]
3.

圖像傳感器的發展及應用現狀
．傳感器應用網[引用日期2016-05-24]

攝像機圖像傳感器：模擬高清和數字高清攝像機的區別，全局快門CMOS 圖像傳感器，Interline Transfer CCD圖像傳感器

一、視頻處理不同：

模擬高清攝像機輸出模擬視頻信號到后端DVR等設備。DVR通過最前端的DOCODE（采集芯片）將模擬信號轉成數字信號，首先得到的是half D1分辨率畫面, 再進行壓縮后得到CIF畫面。數字攝像機采用逐行掃描，后端是完整的一幀接一幀圖象接受。

數字高清攝像機最后輸出給后端混合DVRPDVRNVRPC電腦的是已經壓縮過的數字視頻，不需要視頻采集芯片進行A/D轉換，直接由后端設備存儲起來，不需要占用CPU或DSP資源去壓縮視頻，從而節省了處理器資源，減低了對后端設備的配置要求。

二、視頻傳輸不同：

模擬高清攝像機輸出為的模擬信號，長距離傳輸容易衰減，并且易受到電磁干擾，圖像質量受影響。而數字高清攝像機則以數字信號方式傳輸，無論是多長的傳輸距離，傳輸過程都沒有干擾煩惱與衰減，視頻傳輸無損傷。

模擬高清攝像機多年前就已經上市，可如今使用量并不理想，主要因素在于數字視頻監控系統成本價格較高，使很多用戶望而卻步；其次是其對網絡帶寬的要求較高，在許多情況下難以使用；再者就是其兼容性差，后端配套設備各廠家互不兼容。

三、視頻布線不同：

模擬高清攝像機如果集成了PTZ等控制與聲音，那么在布線方面就非常繁瑣。視頻線，音頻線，電源線，控制線都是獨立的，布線工作量大，并且布線成本高。

數字高清攝像機則可以將視頻線，音頻線，電源線，控制線4合為1，采用一根網線傳輸，布線簡單，同時大大降低了布線成本與難度。

CMOS
全局快門CMOS 圖像傳感器

CMOS圖像傳感器能提供CCD圖像傳感器不具備的一些功能，內部集成數字處理能力，如可在像素內部將電荷轉為電壓，從而提供比CCD更快的幀率。而且，CMOS架構支持用戶根據自己的需要設計小窗口輸出，使讀出更靈活。此外，CMOS的功耗低，設計簡單。雖然CCD圖像傳感器在成像質量上仍處于領先地位，但隨著技術的發展，全局快門CMOS和CCD圖像傳感器的成像質量的差異會越來越小。全局快門CMOS圖像傳感器的關鍵應用包括檢驗、醫療成像、運動分析、安防、顯微鏡及智能交通等等。

現代接口如USB3、USB3.1、10 GigE、Cameralink的帶寬，ROI模式用于定制的輸出選擇，開窗時速度以平方增加。

通用平臺框圖如圖3所示，通常用FPGA提供傳感器的外部控制信號，及作為傳感器的輸出轉換接口，同時做一些簡單的圖像處理，并用USB3.0、GigE、Camera link等視頻接口輸出圖像。

CCD
Interline Transfer CCD圖像傳感器

Interline Transfer CCD 比Full frame CCD提供更多的功能性，它采用電子快門，比機械快門更簡單穩定，圖像一致性好，噪聲低，可用于對圖像品質要求極為嚴格的機器視覺、監控、智能交通、醫療和科學等領域。

相對于CMOS的設計，CCD的電源和時鐘要求比較嚴格，需要專門的水平時鐘驅動、垂直時鐘驅動和電子快門驅動，由于是模擬信號輸出，需要外部ADC將模擬信號轉換成數字信號輸出，再經FPGA處理，由USB3.0、GigE、Camera link等視頻接口輸出圖像。