基于CCD圖像傳感器的數(shù)碼相機走到盡頭了嗎？

1、    基于CCD圖像傳感器的數(shù)碼相機走到盡頭了嗎？        時間:2011年09月04日     字 體: 大 中 小        關(guān)鍵詞:        最新一代CMOS 圖像傳感器利用先進的像素技術(shù)，其性能已達到甚至超越了 CCD圖像傳感器。它們還解決了圖像質(zhì)量問題

2、，并具備CMOS 技術(shù)所獨有的優(yōu)勢，如更快的速度、 更低的功耗，以及可能的更高集成度 而所有這些特性正是現(xiàn)今數(shù)碼相機所要求的。事實上，在高端數(shù)碼單反相機 (DSLR) 市場和新興的無反光鏡數(shù)碼相機市場中，CMOS 圖像傳感器技術(shù)已占有 90%以上的市場份額，足以證明 CMOS 圖像傳感器能夠提供這些消費設(shè)備所需的性能、更快速的連續(xù)靜止圖像捕捉能力，以及全高清 (HD) 視頻捕捉能力。在當(dāng)今競爭極為激烈的緊湊型 DSC 市場，單純在提高分辨率方面一較高下正變得越來越困難。此外，相機制造廠商和 OEM廠商都在尋找新的方法，以期實現(xiàn)自己產(chǎn)品的差異化。正是這種創(chuàng)新推動力，加之圖像質(zhì)量和性能的提高，加快

3、了當(dāng)前以及下一代 DSC 產(chǎn)品采用CMOS 圖像傳感器的速度。事實上，根據(jù)TSR估計，2010 年使用CMOS 的DSC數(shù)量增加了 300% 以上，達到1200多萬部，而預(yù)計2011年CMOS圖像傳感器的采用比例將達到 25%，亦即采用CMOS的相機數(shù)量超過 3500萬部。市場分析機構(gòu) iSuppli 最近預(yù)計，到2013 年，CMOS 圖像傳感器在DSC市場中的份額將超過CCD圖像傳感器。新一代 CMOS 圖像傳感器完全克服了其前代產(chǎn)品存在的缺陷，其供應(yīng)商能提供像素尺寸更小、填充因子更大、QE更高、滾動快門雜音(rolling shutter artifact) 更小、串?dāng)_低、暗電流更小、噪

4、聲更低的解決方案，從而更好地推動 CMOS 圖像傳感器更快速地取代CCD圖像傳感器。CMOS 圖像傳感器贏得市場份額CMOS 圖像傳感器如今廣受歡迎和采納的原因在于其能夠提供與CCD傳感器同等或更好的圖像性能、更快的傳感器讀出速度和幀速。這部分歸功于使用了先進的像素技術(shù)，能夠以更高的成本效益顯著提高像素性能。這些技術(shù)都能夠提升QE，最小化串?dāng)_，即使在挑戰(zhàn)傳統(tǒng)傳感器的低光照條件下也可捕捉色彩鮮明的圖像。Aptina A-Pix 等技術(shù)通過解決導(dǎo)光管和光電二極管的物理結(jié)構(gòu)問題，增強和提升了像素能力。此外，這些先進的像素技術(shù)還能夠結(jié)合數(shù)碼相機捕捉能力與先進的高性能HD視頻能力，從而實現(xiàn)新的混合型DS

5、C相機。在理想情況下，目前 DSC 相機中所采用的圖像傳感器的視頻能力和幀速分別高達1080p與60 幀/秒 (fps)。雖然今天緊湊型 DSC的標準視頻幀速只有 30 fps，但60 fps 幀速可讓相機有足夠能力以最小的滾動快門偽影捕捉到場景內(nèi)的快速移動目標。市場上某些新CMOS 圖像傳感器的輸出速率能夠達到 200MP/s，而全高清視頻所需速率為60 fps；具有高速并行讀出架構(gòu)的下一代傳感器更可望提供超過500MP/s的輸出速率。由于讀出速度更快，CMOS 傳感器能夠同時捕捉高分辨率靜止圖像和高質(zhì)量全高清視頻，且設(shè)計人員無需對二者的性能做折衷讓步。這種同時為靜止圖像攝影和視頻提供最佳性

6、能的能力，為具備這種出色視頻/靜止圖像混合功能集的新型DSC相機開辟了新的市場空間。更高的讀出速度還能實現(xiàn)HD視頻超采樣 (oversampling)，以30fps或 60fps的幀速讀出盡可能大的視野 (field of view, FOV)，并針對所需的視頻輸出格式調(diào)高分辨率。這樣就能夠獲得失真?zhèn)斡案俚摹①|(zhì)量更高的 HD 視頻；而同時通過數(shù)字信號處理器 (DSP) 提供像素區(qū)域邊距，實現(xiàn)電子圖像穩(wěn)定性。除了 HD 視頻之外，現(xiàn)在還有基于 120fps、240fps 及更高捕捉速率的慢動作視頻模式。CMOS 傳感器也在采用多通道高速串行接口，如Sub-LVDS 和 HiSPi，這是由Apt

7、ina Imaging開發(fā)的一種開放存取、可擴展的高速串行像素接口，以期向 DSP高效傳輸高速率圖像數(shù)據(jù)。CMOS 傳感器的其它集成式功能，如集成式拜耳調(diào)節(jié) (Bayer scaling) 功能性，能夠針對 DSP 的最大帶寬對傳感器的輸出進行調(diào)整，進一步提高系統(tǒng)的靈活性。 比較14MPCMOS和CCD性能不管DSC制造廠商是選擇CMOS還是CCD作為基礎(chǔ)技術(shù)，圖像傳感器都必須能夠生成高質(zhì)量的靜止圖像。在以下示例中，Aptina的1400萬像素(MP)、1.4微米、1/2.3英寸MT9F002 CMOS圖像傳感器，集成進一款領(lǐng)先品牌DSC相機中，并與另一款使用具備相同陣列和像素尺寸的

8、14MP、1/2.3英寸 CCD圖像傳感器的領(lǐng)先品牌DSC相機做比較（圖1），涵蓋關(guān)鍵的性能標準：低光照靈敏度、顏色串?dāng)_，以及在一系列ISO條件下的信噪比(SNR)。傳感器QE是捕捉和轉(zhuǎn)換可見光子為電子的效率百分數(shù)，這是主要的靈敏度指標。圖1是CMOS和CCD相機每種顏色層之最大QE的比較。在具有典型高ISO圖像捕捉條件的低光照環(huán)境中，綠色和紅色光譜通常包含大部分的光能量。以下圖表顯示CMOS成像器如何在所有顏色層上提供更高的QE，尤其是在綠色和紅色波長范圍。然而，在比較兩種圖像傳感器的光譜響應(yīng)時，峰值QE僅僅說明了一部分情況。14MP CMOS圖像傳感器不僅具有更高的最大QE，還具有較低的顏

9、色串?dāng)_。MT9F002 CMOS圖像傳感器測得的串?dāng)_較CCD圖像傳感器降低3%，這是基礎(chǔ)Aptina A-Pix 像素技術(shù)固有的光導(dǎo)技術(shù)所提供的優(yōu)勢。因而，14MP CMOS圖像傳感器在所有的光照條件/ISO條件下均可提供更低的顏色噪聲和更好的整體信噪比(SNR)。如圖2至圖5所示，14MP CMOS圖像傳感器在低和高ISO條件下，性能表現(xiàn)均優(yōu)于同等格式 (相同陣列和像素尺寸) CCD傳感器。為了比較亮度SNR性能，在同等ISO范圍，使用相同的基本軟件顏色管線，從各個傳感器進行原始捕捉，而不采用噪聲消除，并使用經(jīng)過校準的色彩精確的顏色校正矩陣 (color correction matrix,

10、 CCM)，用于場景中使用的D65光照。亮度SNR是在目標場景所用的Macbeth圖表的18% 中等色調(diào)灰色補丁上測得的。所有圖像是使用F2.8透鏡孔徑捕捉的，并具有相同的綜合時間。圖2所示為兩種傳感器的ISO100性能比較，來自CMOS傳感器的圖像顯示，最小ISO (最小增益) 條件下的亮度SNR增加了1.5dB。在不同成像區(qū)域進行放大，在黑色和灰色的區(qū)域中，可以看到CMOS圖像傳感器的噪聲比較低。圖3為ISO100成像性能比較的細節(jié)區(qū)域的放大情況。圖4和圖5所示為在ISO范圍另一端 (ISO1600) 的相似類型性能比較，這類高ISO、高增益條件是不使用閃光燈的低光照環(huán)境圖像捕捉的典型狀況。CMOS傳感器在高ISO設(shè)置下的亮度SNR增加了2dB 以上(> 30 %)。在CMOS器件一側(cè)，Macbeth圖表18%灰色補丁的裁切區(qū)域的顏色噪聲低得多。在圖像的不同區(qū)域再進行放大 (圖5) ，可以明顯看出CMOS傳感器具有出色的噪聲性能。結(jié)論過去的相機制造廠商一直使用CCD圖像傳感器，提供最佳的靜止圖像性能和整體圖像質(zhì)量、較高的填充因數(shù)和QE，以及更低的暗流。然而，如今的CMOS圖像傳感器除了具備主流數(shù)碼相機所需的高性能、更低功耗、更快的連續(xù)靜止圖像捕捉，以及全高清視頻捕捉功能之外，還能夠提供具備更小像素尺寸、