摄像机图像传感器：一文了解CMOS图像传感器摄像头的进阶设计方法

CMOS图像传感器广泛应用于当今的数码相机和手机，它利用了现有的CMOS制造工艺，已成为低成本图像传感设计方法。现在，有一种设计CMOS图像传感器摄像头的进阶方法——通过Ansys Lumerical与Ansys SPEOS之间的互操作，工程师能够设计包含宏观透镜和微观传感器的摄像头系统，且优化CMOS传感器的效率。该工作流程能帮助工程师考虑真实照明条件，同时优化CMOS图像传感器。
Ansys SPEOS可预测系统的照明和光学性能。SPEOS使工程师能在宏观尺度上研究光与机械几何结构的相互作用，节省原型设计的时间与成本。
Ansys Lumerical提供纳米光子仿真工具，让用户能在波长尺度上对光与几何结构的相互作用进行建模，包括光学、电子和热效应。
SPEOS和Lumerical可以共享各种应用的仿真信息，例如平视显示器（HUD）、具有表面等离子体的系统、衍射光栅、发光结构、表面和体积散射、衍射光学元件等。CMOS传感器摄像头的新工作流程是这个不断增加的应用列表中的新成员，结合SPEOS和Lumerical工具，Ansys为完整的光学系统提供了仿真解决方案。
在Ansys Lumerical FDTD（左）和Lumerical CHARGE（右）中建模的CMOS图像传感器
CMOS图像传感器摄像头：
Ansys Lumerical FDTD可用于为CMOS图像传感器等纳米光子器件的光学属性建模。可得到的关键属性包括：吸收光子的光学效率，以及衬底中的电子-空穴对生成速率。与Ansys Lumerical CHARGE耦合后，设计师能够探索其他导入属性，例如量子效率和串扰，这两者都需要仿真电气行为。Ansys Lumerical的FDTD和CHARGE可用于解决众多设计难题，例如：背照式传感器、光学和电子串扰的影响、微透镜偏移或斜入射角几何结构的优化，以及将彩色滤光片整合到复杂传感器几何结构时的效果。
与Ansys SPEOS结合使用时，工程师可以仿真整个摄像头系统，把CMOS图像传感器摄像头设计提升到新的水平。这有助于用户探索CMOS图像传感器微观效应、宏观透镜和电子子系统之间的复杂相互作用。由于其能够预测照明性能，SPEOS可帮助工程师为摄像头记录的最终成像构建准确视图。
无论是新一代手机摄像头，还是科学或国防应用成像系统，SPEOS/Lumerical工作流程都能助力企业以更快速度和更低成本开发更优异的CMOS图像传感器摄像头。
相关工具：
Ansys SPEOS
Ansys Lumerical
相关资料：
了解Ansys解决方案在你所在行业的成功应用、工程问题解决思路
更多前沿实用技术、工程创新实践，可前往Ansys微信公众号：ANSYS-China
来源：Ansys Blog

摄像机图像传感器：中国工程师最喜欢的10大CMOS图像传感器芯片

据Yole统计，2020年全球CMOS图像传感器（CIS）市场规模为207亿美元，出货量为70.08亿颗。跟其它半导体器件一样，CIS也因为疫情和生产周期长，以及各种市场因素，而导致采购和供应链紧张。Yole预计2021年将趋于平稳，销售额相比2020年略有增长（3.2%），将达到214亿美元，出货量将达到74.53亿颗。这一预测已经将CIS市场的关键因素考虑进去了，包括华为的CIS库存降低、芯片短缺的不确定性，以及疫情后的消费者花费等。
若将CIS出货量按应用市场细分，今年手机市场占比约为78.3%，计算机占12.9%，安防占4.3%，汽车占2.3%，消费电子占1.7%。预计到2026年，CIS整体增长率约为7.5%，其中手机市场低于整体增长，而汽车和安防市场增长都超过10%，消费电子和医疗市场增长最快，超过20%。
从CIS供应商来看，在2020年207亿美元的销售额中，索尼占据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%。三家国产CIS厂商的营收占比合计为17%。
虽然索尼仍然是CIS龙头老大，但其市场份额却在降低，华为手机下滑和其它CIS厂商的竞争是主要因素。第二位的三星因为有从设计、制造到终端设备的垂直整合优势，而在手机CIS市场赢得更多份额，其最新CIS传感器也因为与小米手机合作而有显著增长。
台积电是CIS的主要代工厂，在晶圆产能紧张的情况下索尼可以保证足够产能供应，但像安森美等CIS厂商可能无法获得足够的产能。安森美虽然没有出现严重短缺，但应该可以在汽车和物流摄像头市场表现更好。豪威和思特威等中国厂商早就开始分散晶圆代工，反而没有受到太大影响。格科微还开始启动自己的晶圆生产线，以保证供应链的安全。
长期来看，CIS将会跟半导体整体市场保持基本一致的增长。Yole预测，未来5年的增长率约为5.4%，到2026年市场规模将达到284亿美元。今年相对平稳，但2022年将会有9%的增长。虽然手机市场增长不明显，但汽车、安防和工业医疗等市场都有超过10% 的增长。
为了让工程师朋友对全球和中国CMOS图像传感器市场及产品有更为完整的了解，ASPENCORE旗下《电子工程专辑》分析师团队分别从5大国际CIS厂商的产品系列中挑选5款CIS芯片，又从5家国产CIS厂商产品系列中挑选5款有代表性的CIS芯片。欢迎大家通过微信投票评选出“中国工程师最喜欢的10大CMOS图像传感器芯片”。
Top 5国际CMOS图像传感器
索尼智能视觉传感器IMX 500/501
IMX 500/501是索尼发布的两款具备AI处理功能的智能视觉传感器，可在实现高速边缘AI处理的同时只提取必要数据，从而减少使用云端服务时的数据传输延迟，保证隐私安全，并降低功耗和通信成本。IMX 500是裸片，而501是封装产品，这种图像传感器拓宽了AI摄像头的研发空间，可广泛应用于零售和工业设备行业，并有助于构建与云端连接的优化系统。
该芯片采用背照式进光，有效像素约为1230万，可以捕捉广阔视角的图像信息。除了传统的图像传感器操作电路外，其逻辑芯片还配备了索尼的DSP（数字信号处理器），专门用于AI信号处理，并可存储AI模型。这种配置无需高性能处理器或外部存储，使其成为边缘AI系统的理想选择。
IMX 500/501性能参数列表如下：
该芯片采集的信号通过ISP（图像信号处理器）进行处理，并在逻辑芯片的处理层进行AI运算，将提取的信息作为元数据输出，可以减少需要处理的数据量。同时，不输出图像信息有助于降低安全风险和保证隐私安全。除了传统图像传感器捕捉的图像外，用户还可以根据自己的需要和用途选择数据输出格式，包括ISP格式输出图像（YUV/RGB）和ROI（感兴趣区域）特定区域提取图像。
当使用传统的图像传感器录制视频时，需要发送每一帧的视频数据进行AI处理，导致数据传输量大，难以实时呈现结果。这种传感器产品在逻辑芯片上进行ISP处理和高速AI运行（MobileNet V1*1 3.1毫秒处理），在一个视频帧内完成整个过程。这种设计可以在录制视频的同时保证高精度、实时的目标追踪。
三星GN2
三星ISOCELL GN2 CMOS传感器拥有5000万像素，单个像素面积为1.4μm，大小为1.12英寸。它支持智能 ISO Pro、Dual Pixel Pro（双像素增强）以及像素四合一（Tetracell）多项技术。如果用户需要1亿高像素输出，GN2还能通过智能算法，输出红色、绿色、蓝色像素三张不同的单帧图像，然后把它们合成为一张1亿像素照片。此外，GN2还支持Staggered HDR、8K视频、4K120P视频多项特性。
GN2传感器面积达到了1/1.12英寸，已经很接近1英寸大小，比索尼IMX 700（1/1.28英寸）还要大。它可支持像素四合一组成2.8um超大像素，从而吸收更多光线，拍摄出更明亮、更清晰的照片。
在对焦方面，ISOCELL GN2是三星首款支持Dual Pixel Pro(双像素增强)技术的传感器，每个像素可以分为左右两半，使用相位差自动对焦。双像素增强技术还可以跟四合一像素技术相结合，GN2也是首款同时支持2个技术的传感器，无论任何场景下都可以快速对焦。
SK海力士A4C传感器
SK海力士研发的A4C（All 4-Coupled）图像传感器在读取色彩信息的同时，可利用每个像素的视差，提高图像质量和自动对焦。A4C可以实现快速准确的对焦检测、高分辨率图像，适合多种应用场景。
A4C传感器的自动对焦功能基于这样一种机制：如果来自物体的不同光线汇聚至一个焦点，则物体处于对焦状态；如果来自物体的不同光线未能汇聚至一个点，则物体处于失焦状态。与现有的PDAF技术相比，A4C传感器能够计算每个像素的视差。换言之，A4C传感器具有很高的精度，在低于10 勒克斯（lux）的弱光环境下也可以确保10倍以上精度。与利用双眼视差的PDAF技术不同，A4C传感器利用的是微透镜下方位于上下左右四角的四个像素的视差。因此，A4C传感器拥有非常出色的对焦检测性能，能够准确检测水平或垂直方向的物体。
A4C传感器的输出图像能以每个微透镜下四个像素为一组的方式提高感光度，或通过将各个像素独立输出的方法来提高图像分辨率（例如，A4C可以输出5000万像素分辨率的图像或1250万像素微透镜分辨率的图像）。如果传感器将每个微透镜下四个像素作为一组生成输出图像，图像分辨率会降至单独使用每个像素时的图像分辨率的四分之一。但是，四个像素一组的方法可以将感光度提高四倍。因此，在夜间、弱光环境等光线不足的情况下，微透镜分辨率（Micro lens resolution）传感器的优势更为明显。
除了精准对焦检测和捕捉高分辨率图像外，A4C传感器的优势还包括它可以应用于一系列光场成像场景。光场成像是一种再现物体射线分布的技术，可以计算场景中的光线强度和光线源头的精确方向，并将这些信息用于背景虚化（Bokeh）、再对焦（Refocus）和多视角（Multi-view）等计算机视觉应用。
安森美AR0231AT
AR0231AT 是一款 1/2.7 英寸 CMOS 数字图像传感器，带有1928Hx1208V有效像素阵列。它具有LED 闪烁抑制 (LFM)功能，可消除交通标志和车辆 LED 照明中的高频 LED 闪烁，让交通标志读取算法能够在所有照明条件下运行。AR0231AT 使用最新的3.0微米背面照明 (BSI) 像素和安森美的DR-Pix技术，可提供双重转换增益，提高所有照明条件下的性能。它在线性、HDR 或 LFM 模式下捕捉图像，可提供模式之间的帧到帧上下文切换。AR0231AT 还包含了支持 ASIL B 的功能。
高动态范围：在1928×1208和30 fps时具有4曝光HDR，或在1928×1208和40 fps时3曝光HDR；
数据接口：4?lane MIPI CSI?2, Parallel, 或4?lane High Speed Pixel Interface (HiSPi) Serial Interface (SLVS and HiVCM)；
具有灵活曝光比控制功能的高级HDR
可以选择自动或用户控制黑色控制
帧到帧切换，支持多功能系统
支持扩散频谱输入时钟
支持多相机同步
多CFA选项
AR0231AT适用于汽车和ADAS应用，比如1080p30视频终端、高动态范围成像仪，以及ADAS + Viewing Fusion等。
ST VG5761
这种车规级全局快门传感器分辨率为2.3Mp，3.2μm像素，采用IM2BGA封装，具有HDR和超低噪声功能，在近红外（NIR）场景中可以最小化交叉干扰。VG5761传感器适合高性能计算机视觉应用。
其功能特性如下：
获得AEC-Q100二级汽车认证；
高动态范围（高达98dB线性）和高密度电荷存储；
3.2 μm 像素 GS-HDR、单色、可见光和红外光谱
光学格式：75 fps 下1.6 MP (1464 x1104) ，1/3”光学格式和微镜头；60fps 下2.3 MP (1944 x1204) ，1/2.5 英寸光学格式带微镜头；
即使在近红外（完美的像素封装）下仍具有非常高的MTF；
带数字 CDS 的低噪声11位ADC；
从 RAW8 到 RAW16 分辨率的线性或压缩输出；
输出接口：Mipi CSI-2 (4 x 0.8 Gbps)、并行12位(100 MHz)、相机控制接口（CCI）；
支持机器视觉应用；
像素内 HDR 和背景底色模式，具有灵活的频闪照明控制；
多达 4 个 LED 控制输出，与传感器集成周期同步；
4 帧上下文可编程序列；
主/从外部帧启动控制；
嵌入式 16 位视频处理管道，具有像素缺陷校正、高动态范围 (HDR) 合并与重影消除以及动态可编程压缩；
镜像/翻转/裁剪；
支持 2 和 4 二次采样；
支持按 2 和按 4 分箱；
集成双温度传感器；
工作结温为 -40 °C 至 125 °C；
采用符合汽车标准的 IM2BGA 塑料封装；
用于可见光和红外应用的大光谱镜片，带有双增透膜；
支持ASIL B，例如CPU 冗余、嵌入式完全自检、内存和寄存器 ECC、安全管理器和电压监控；
单色微透镜（针对 20 °C 和 0 °C 优化的最大 CRA）
Top 5国产CMOS图像传感器
豪威OV60A
作为全球首款0.61微米像素高分辨率CMOS图像传感器，OV60A提供6000万像素分辨率，像素尺寸仅为0.61微米，在同类产品中是最小的。OV60A采用1/2.8英寸光学格式，长宽比配置为4:3或16:9。OV60A上的四合一彩色滤光片阵列使用近像素合并功能以四倍的灵敏度输出高达1500万像素的图像，为预览和原生4K视频提供相当于1.22微米的等效性能，并具有电子图像稳定（EIS）所需的额外像素。这款传感器还支持用于“常开”感测的低功耗模式，与手机的人工智能功能配合使用时，可以节省宝贵的电池寿命。
性能参数如下：
自动黑电平矫正（ABLC）
可编程控制用于帧率、镜像和反转、分箱、裁剪和视窗
支持动态DPC
输出格式支持：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样
支持环境光感应（ALS）模式
支持超低功耗（ULP）模式
多达4路MIPI D-PHY TX接口，速度高达3.0 Gbps/路
2/3三重C-PHY接口，速度高达3.0 Gbps/trio
标准串行SCCB接口
HDR支持：交错HDR 2/3曝光时间
为了提高分辨率，同时降低像素尺寸和光学格式，OV60A采用豪威科技的PureCel?Plus-S晶片堆叠技术。与上一代0.7微米像素相比，新的0.61微米像素面积减少了24％，但是量子效率（QE）更高，串扰和角响应更好。OV60A能够以60帧/秒的速度输出具有EIS分辨率的1500万像素或4K/2K视频，并支持交错式HDR定时，以实现高动态范围视频。“常开”的低功率模式包括用于唤醒的环境光感测模式以及低功率流模式。这款传感器还支持双I/O电压轨（1.8V和1.2V）以及CPHY接口。
OV60A适用于智能手机、PC多媒体和视频会议等。
思特威SC132GS
SC132GS采用思特威SmartGS技术，具有130万BSI像素以及 2.7μm*2.7μm的光学尺寸，它拥有120fps高帧率，支持多种接口（MIPI/LVDS），采用COB/Fan-out封装形式，感光度可达7000mV/Lux·s。
出色的快门效率（>99.99%）
支持单帧HDR
近红外环境下拥有超高感度(QE@940nm>40%)
120fps 高帧率
基于BSI Stacked工艺的全局快门技术
SC132GS搭载了单帧HDR技术，并结合改进的PRNU性能和拐点偏差校准功能，确保图像传感器在复杂的应用（运动）与光照场景下对于图像信息的精准捕捉，并在同类已有产品中拥有最高的QE性能数据。通过多种领先的技术优势结合，SC132GS在缩小像素尺寸和降低功耗的同时大幅优化了快门效率及感光度，减少漏光和噪声，并解决了包括“果冻效应”在内的诸多机器视觉成像问题。
SC132GS可为智能终端及时提供无形变、无伪影的高清可识别影像，为系统进行精确判断提供坚实的基础，目前在已应用于消费级人脸识别、无人机避障识别、智能翻译笔以及扫地机器人等智能终端。
格科微GC2053
格科微安防和车载高清感光芯片GC2053是一颗感光区为1/2.9英寸的全高清规格CMOS图像传感器，单个像素达到2.8*2.8微米，可通过DVP或MIPI接口实现30帧每秒的稳定输出。
其实安防和车载等领域的摄像头应用与手机端有很大的区别。很多监控摄像头会安装在室外的环境，汽车也会长期遭受烈日暴晒。因此，图像传感器的工作温度经常会超过60℃，甚至更高。此外，监控和汽车运行的场景很多时候都发生在夜晚，那就对图像传感器在暗态下的性能表现也提出了很高的要求。如何去控制或解决在以上应用环境中产生的噪声、黑点、感光以及稳定性方面的问题，改善传感器成像质量，提升消费者使用体验，成为一款安防或车载产品能否成功的关键点。
从2018年开始，格科微对非手机领域产品的战略投入持续加大，配备独立的研发团队，应用其先进的像素工艺和电路设计工艺成功开发了一系列高性能产品。在高温场景下，格科微产品通过降低Si界面缺陷, 抑制热电子的捕获与释放, 从而达到降低暗电流与热噪的效果（暗电流降低15%, 热噪降低10%）。在低照环境下，GC2053产品采用暗信号读出增强技术，可以保证光生电子的全部读出, 从而降低黑点与暗信号非均匀度（DSNU）。实测表明，DSNU 降低了20%。
长光辰芯GMAX
长春长光辰芯光电技术有限公司最新推出的GMAX是一款1.52亿像素分辨率、全局快门CMOS芯片。GMAX是该公司GMAX系列像素分辨率最高的一款产品，也是目前市场上已知的分辨率最高的全局快门CMOS芯片。
GMAX与长光辰芯已经发布的GMAX（103 MP）采用相同的像素平台，其满阱容量可以达到9.3ke-，噪声水平为4e-，使得其动态范围可达67.3dB。该芯片采用38对sub-LVDS进行数据输出，单通道速率为960 MHz，总数据率高达36.48Gbps ，采用12bit ADC，最高帧频达16帧/秒，同时支持通道合并功能可灵活适配在多种工业相机接口。
GMAX采用183针μPGA陶瓷封装，外形尺寸为68.2mm x 52mm，其封装背部留有较大空白空间，以方便相机进行散热设计。
锐芯微BG0808
锐芯微BG0808 是一款1/2.7英寸、2M BSI超低照度图像传感器，有效像素为1928H x 1088V。它采用3uBSI像素，拥有极佳的感光灵敏度和信噪比，同时还支持2帧Stagger HDR曝光方式。它可实现高动态范围，最高支持60fps高帧率，同时支持单帧和多帧的曝光触发；MIPI/DVP图像输出接口经过特别的优化，芯片面积和功耗大大提升了费效比；高温度工作范围，完美适应苛刻的工作环境。
其功能特性如下：
3um*3um 高灵敏度BSI pixel
单帧和多帧的触发曝光操作
支持最多2-lane MIPI接口
自动黑电平矫正
最高60fps@full frame
ADC量化精度最高12bits
BG0808适用于高端监控、行车记录仪和网络摄像机等。
免责声明：本文系网络转载，版权归原作者所有。本文所用视频、图片、文字如涉及作品版权问题，请第一时间告知，我们将立即删除内容！本文内容为原作者观点，并不代表本公众号赞同其观点和对其真实性负责。

摄像机图像传感器：图像传感器

收藏
查看我的收藏
0
有用+1
已投票
0
图像传感器
语音
编辑
锁定
讨论
上传视频
上传视频
图像传感器是利用光电器件的光电转换功能将感光面上的光像转换为与光像成相应比例关系的电信号。与光敏二极管，光敏三极管等“点”光源的光敏元件相比，图像传感器是将其受光面上的光像，分成许多小单元，将其转换成可用的电信号的一种功能器件。图像传感器分为光导摄像管和固态图像传感器。与光导摄像管相比，固态图像传感器具有体积小、重量轻、集成度高、分辨率高、功耗低、寿命长、价格低等特点。因此在各个行业得到了广泛应用。
[1]
中文名
图像传感器
外文名
image sensor
别    名
感光元件
分    类
CCD，CMOS
定    义
组成数字摄像头的重要组成部分
目录
1
CCD
?
应用
?
历史
?
特点
2
CMOS
?
特点
?
历史
?
市场
?
发展
3
技术参数
4
发展现状
图像传感器CCD
编辑
语音
CCD是应用在摄影摄像方面的高端技术元件，CMOS则应用于较低影像品质的产品中，它的优点是制造成本较CCD更低，功耗也低得多，这也是市场很多采用USB接口的产品无须外接电源且价格便宜的原因。尽管在技术上有较大的不同，但CCD和CMOS两者性能差距不是很大，只是CMOS摄像头对光源的要求要高一些，但该问题已经基本得到解决。CCD元件的尺寸多为1/3英寸或者1/4英寸，在相同的分辨率下，宜选择元件尺寸较大的为好。图像传感器又叫感光元件。
图像传感器应用
CMOS图像传感器
图像传感器
[2]
，或称感光元件，是一种将光学图像转换成电子信号的设备，它被广泛地应用在数码相机和其他电子光学设备中。早期的图像传感器采用模拟信号，如摄像管（video camera tube）。随着数码技术、半导体制造技术以及网络的迅速发展，市场和业界都面临着跨越各平台的视讯、影音、通讯大整合时代的到来，勾划着未来人类的日常生活的美景。以其在日常生活中的应用，无疑要属数码相机产品，其发展速度可以用日新月异来形容。短短的几年，数码相机就由几十万像素，发展到400、500万像素甚至更高。不仅在发达的欧美国家，数码相机已经占有很大的市场，就是在发展中的中国，数码相机的市场也在以惊人的速度在增长，因此，其关键零部件——图像传感器产品就成为当前以及未来业界关注的对象，吸引着众多厂商投入。以产品类别区分，图像传感器产品主要分为CCD、CMOS以及CIS传感器三种。本文将主要简介CCD以及CMOS传感器的技术和产业发展现状。
图像传感器历史
感光器件是工业摄像机最为核心的部件，图像传感器有CMOS和CCD两种。CCD特有的工艺，具有低照度效果好、信噪比高、通透感强、色彩还原能力佳等优点，在交通、医疗等高端领域中广泛应用。由于其成像方面的优势，在很长时间内还会延续采用，但同时由于其成本高、功耗大也制约了其市场发展的空间。CCD与CMOS在不同的应用场景下各有优势，但随着CMOS工艺和技术的不断提升，以及高端CMOS价格的不断下降，相信在安防行业高清摄像机未来的发展中，CMOS将占据越来越重要的地位。
CCD（Charged Coupled Device）于1969年在贝尔试验室研制成功，之后由日商等公司开始量产，其发展历程已经将近30多。CCD又可分为线型（Linear）与面型（Area）两种，其中线型应用于影像扫瞄器及传真机上，而面型主要应用于数码相机（DSC）、摄录影机、监视摄影机等多项影像输入产品上。
图像传感器特点
一般认为，CCD传感器有以下优点：高解析度（High Resolution）：像点的大小为μm级，可感测及识别精细物体，提高影像品质。从1寸、1/2寸、2/3寸、1/4寸到推出的1/9寸，像素数目从10多万增加到400～500万像素；低杂讯（Low Noise）高敏感度：CCD具有很低的读出杂讯和暗电流杂讯，因此提高了信噪比（SNR），同时又具高敏感度，很低光度的入射光也能侦测到，其讯号不会被掩盖，使CCD的应用较不受天候拘束；动态范围广（High Dynamic Range）：同时侦测及分辨强光和弱光，提高系统环境的使用范围，不因亮度差异大而造成信号反差现象。良好的线性特性曲线（Linearity）：入射光源强度和输出讯号大小成良好的正比关系，物体资讯不致损失，降低信号补偿处理成本；高光子转换效率（High Quantum Efficiency ）：很微弱的入射光照射都能被记录下来，若配合影像增强管及投光器，即使在暗夜远处的景物仍然还可以侦测得到；大面积感光（Large Field of View）：利用半导体技术已可制造大面积的CCD晶片，与传统底片尺寸相当的35mm的CCD已经开始应用在数码相机中，成为取代专业有利光学相机的关键元件；光谱响应广（Broad Spectral Response）：能检测很宽波长范围的光，增加系统使用弹性，扩大系统应用领域；低影像失真（Low Image Distortion）：使用CCD感测器，其影像处理不会有失真的情形，使原物体资讯忠实地反应出来；体积小、重量轻CCD具备体积小且重量轻的特性，因此，可容易地装置在人造卫星及各式导航系统上；低秏电力不受强电磁场影响；9.　电荷传输效率佳：该效率系数影响信噪比、解像率，若电荷传输效率不佳，影像将变较模糊；10.　可大批量生产，品质稳定，坚固，不易老化，使用方便及保养容易。根据In-Stat在2001时对全球图像传感器的研究报告中指出，CCD产业前七大厂商皆为日系厂商，占了全球98.5%的市场份额，在技术发展方面，较有特色的主要厂商应为索尼、飞利普和柯达公司。
图像传感器CMOS
编辑
语音
图像传感器特点
CMOS传感器采用一般半导体电路最常用的CMOS工艺，具有集成度高、功耗小、速度快、成本低等特点，最近几年在宽动态、低照度方面发展迅速。CMOS即互补性金属氧化物半导体，主要是利用硅和锗两种元素所做成的半导体，通过CMOS上带负电和带正电的晶体管来实现基本的功能。这两个互补效应所产生的电流即可被处理芯片记录和解读成影像。在模拟摄像机以及标清网络摄像机中，CCD的使用最为广泛，长期以来都在市场上占有主导地位。CCD的特点是灵敏度高，但响应速度较低，不适用于高清监控摄像机采用的高分辨率逐行扫描方式，因此进入高清监控时代以后，CMOS逐渐被人们所认识，高清监控摄像机普遍采用CMOS感光器件。CMOS针对CCD最主要的优势就是非常省电。不像由二级管组成的CCD，CMOS电路几乎没有静态电量消耗。这就使得CMOS的耗电量只有普通CCD的1/3左右，CMOS重要问题是在处理快速变换的影像时，由于电流变换过于频繁而过热，暗电流抑制的好就问题不大，如果抑制的不好就十分容易出现噪点。已经研发出720P与1080P专用的背照式CMOS器件，其灵敏度性能已经与CCD接近。与表面照射型CMOS传感器相比，背照式CMOS在灵敏度（S/N）上具有很大优势，显著提高低光照条件下的拍摄效果，因此在低照度环境下拍摄，能够大幅降低噪点。虽然以CMOS技术为基础的百万像素摄像机产品在低照度环境和信噪处理方面存在不足，但这并不会根本上影响它的应用前景。而且相关国际大企业正在加大力度解决这两个问题，相信在不久的将来，CMOS的效果会越来越接近CCD的效果，并且CMOS设备的价格会低于CCD设备。安防行业使用CMOS多于CCD已经成为不争的事实，尽管相同尺寸的CCD传感器分辨率优于CMOS传感器，但如果不考虑尺寸限制，CMOS在量率上的优势可以有效克服大尺寸感光原件制造的困难，这样CMOS在更高分辨率下将更有优势。另外，CMOS响应速度比CCD快，因此更适合高清监控的大数据量特点。
图像传感器历史
与CCD相比，CMOS具有体积小，耗电量不到CCD的1/10，售价也比CCD便宜1/3的优点。与CCD产品相比，CMOS是标准工艺制程，可利用现有的半导体设备，不需额外的投资设备，且品质可随著半导体技术的提升而进步。同时，全球晶圆厂的CMOS生产线较多，日后量产时也有利于成本的降低。另外，CMOS传感器的最大优势，是它具有高度系统整合的条件。理论上，所有图像传感器所需的功能，例如垂直位移、水平位移暂存器、时序控制、CDS、ADC…等，都可放在集成在一颗晶片上，甚至于所有的晶片包括后端晶片（Back-end Chip）、快闪记忆体（Flash RAM）等也可整合成单晶片（SYSTEM-ON-CHIP），以达到降低整机生产成本的目的。正因为此，投入研发、生产的厂商较多，美国有30多家，欧洲7家，日本约8家，韩国1家，台湾有8家。而居全球翘楚地位的厂商是Agilent(HP)，其市场占有率51%、ST(VLSI Vision)占16%、Omni Vision占13%、现代占8%、Photobit约占5%，这五家合计市占率达93%。根据In-Stat统计资料显示，CMOS传感器的全球销售额到2004年可望突破18亿美元，CMOS将以62%的年复合成长率快速成长，逐步侵占CCD器件的应用领域。特别是在2013年快速发展的手机应用领域中，以CMOS图像传感器为主的摄相模块将占领其80%以上的应用市场。
图像传感器市场
CMOS图像传感器属于新兴产品市场，其市场占有率变化不如成熟产业那般恒常不变，例如在1999年时，CMOS市场中，按照出货比例排名依序为Agilent、OmniVision、STM和Hyundai，其市场占有率分别为24%、22%、14%和14%，其中STM是欧洲厂商，Hyundai是韩国厂商；但只经过一年后的市场竞争，Agilent和OmniVision出货排名顺序仍然分居一、二，且市场占有率分别提升到37.7%和30.8%，而STM落居第四，市场占有率大幅滑落至4.8%，至于Hyundai更是大幅衰退只剩2.1%的市场占有率，值得一提的是Photobi在2000年度的大幅成长，全球市场占有率快速成长至13.7%，排名全球第三。这三家厂商出货量就占全球出货量的82.2%。从中可以分析，这个产业的厂商集中度相当密集，所以观察上述三家厂商的动态和发展，可看出许产业和技术未来发展方向。Agilent主要的产品为第二代的CIF（352*288）HDCS-1020和第二代的VGA（640*480）HDCS-2020，主要应用在数码相机 、行动电话、PDA、PC Camera等新兴的资讯家电产品之中，此外Agilent在2000年另一成功策略是和Logitech与Microsoft这两家公司策略联盟，打入了光学鼠标产品领域，但是这是非常低阶的CMOS产品，而且不是为了捕捉影像 ，所以在做影像感测器的全球统计时并未将此数量一并加入，但是此举可看出Agilent以CMOS技术为基础进军光学元件的规划意图。OmniVision它主要的产品包括︰CIF（352 x 288）、VGA（640 x 480）、SVGA（800 x 600）和SXGA（1280 x 1024）。Omnivision开发的130万像素等级的CMOS图像传感器正在被业界大量应用在数码相机中。业界一般认为，百万像素为使用CMOS和CCD的分水岭，CMOS成功跨进这一市场，足以说明CMOS技术发展对市场的渗透度，未来可能将取代CCD成为中低档影像产品的不留应用。Omnivision在2001年5月开发的CIF(352 x 288)等级的CMOS传感器，其特色为低秏电，目标市场定位在移动电话上，其产品发展策略和各大研究调查机构不谋而合，在移动电话市场上，CMOS模组的摄相模块已经成为移动通讯应用的最大量产品。Photobit在2000年获得较大成功。2001年Photobit率先研发出PB-0330产品型号的CMOS图像传感器，此产品特色具备单一晶片逻辑转数位的变频器，它是第二代1/4寸的VGA（640 x 480），同时也推出PB-0111产品型号的CMOS影像感测器，是第二代1/5寸的CIF（352 x 288）。Photobit推出这两种产品主要针对数码相机和PC Camera的数位化产品，和OmniVision CIF（352 x 288）定位在行动电话市场上有所区隔，其推出CIF（352 x 288）和VGA（640 x 480）这两种不同解析程度的影像感测器，行销范围意图含盖低阶和中高阶市场。
图像传感器发展
2013年业界发展了CMOS图像传感器新技术--C3D。C3D技术的最大特点就是像素反应的均一性。C3D技术重新定义了成像器的性能（即把系统的整体性能包括在内）并提高了CMOS图像传感器在均一性和暗电流方面的标准性能。2014年初，美国Foveon公司公开展示了其最新发展的Foveon X3技术，立即引起业界的高度关注。Foveon X3是全球第一款可以在一个像素上捕捉全部色彩的图像传感器阵列。传统的光电耦合器件只能感应光线强度，不能感应色彩信息，需要通过滤色镜来感应色彩信息，我们称之为Bayer滤镜。而Foveon X3在一个像素上通过不同的深度来感应色彩，最表面一层感应蓝色、第二层可以感应绿色，第三层感应红色。它是根据硅对不同波长光线的吸收效应来达到一个像素感应全部色彩信息，已经有了使用这种技术的CMOS图像传感器，其应用产品是“Sigma SD9”数码相机。这项革新技术可以提供更加锐利的图像，更好的色彩，比起以前的图像传感器，X3是第一款通过内置硅光电传感器来检测色彩的。Foveon X3的技术对于传统半导体感光技术来说有很大的突破，也有颠覆传统技术的效果，相信Foveon X3会有很好的前景。在高分辨率像素产品方面，日前台湾锐视科技已领先业界批量推出了210万像素的CMOS图像传感器，而且已有美商与台湾的光学镜头厂合作，将在第三季推出此款CMOS传感器结合镜头的模组，CMOS应用已经开始在200万像素数码相机产品中应用。对比CCD提供很好的图像质量、抗噪能力和相机设计时的灵活性。尽管由于增加了外部电路使得系统的尺寸变大，复杂性提高，但在电路设计时可更加灵活，可以尽可能的提升CCD相机的某些特别关注的性能。CCD更适合于对相机性能要求非常高而对成本控制不太严格的应用领域，如天文，高清晰度的医疗X光影像、和其他需要长时间曝光，对图像噪声要求严格的科学应用。CMOS是能应用当代大规模半导体集成电路生产工艺来生产的图像传感器，具有成品率高、集成度高、功耗小、价格低等特点。CMOS技术是世界上许多图像传感器半导体研发企业试图用来替代CCD的技术。经过多年的努力，作为图像传感器，CMOS已经克服早期的许多缺点，发展到了在图像品质方面可以与CCD技术较量的水平。CMOS的水平使它们更适合应用于要求空间小、体积小、功耗低而对图像噪声和质量要求不是特别高的场合。如大部分有辅助光照明的工业检测应用、安防保安应用、和大多数消费型商业数码相机应用。
图像传感器技术参数
编辑
语音
了解CCD和CMOS芯片的成像原理和主要参数对于产品的选型时非常重要的。同样，相同的芯片经过不同的设计制造出的相机性能也可能有所差别。CCD和CMOS的主要参数有以下几个：1. 像元尺寸像元尺寸指芯片像元阵列上每个像元的实际物理尺寸，通常的尺寸包括14um,10um, 9um , 7um , 6.45um ,3.75um 等。像元尺寸从某种程度上反映了芯片的对光的响应能力，像元尺寸越小，能够接收到的光子数量越多，在同样的光照条件和曝光时间内产生的电荷数量越多。对于弱光成像而言，像元尺寸是芯片灵敏度的一种表征。2. 灵敏度灵敏度是芯片的重要参数之一，它具有两种物理意义。一种指光器件的光电转换能力，与响应率的意义相同。即芯片的灵敏度指在一定光谱范围内，单位曝光量的输出信号电压（电流），单位可以为纳安/勒克斯nA/Lux、伏/瓦（V/W）、伏/勒克斯（V/Lux）、伏/流明（V/lm）。另一种是指器件所能传感的对地辐射功率（或照度），与探测率的意义相同，。单位可用瓦（W）或勒克斯（Lux）表示。3. 坏点数由于受到制造工艺的限制，对于有几百万像素点的传感器而言，所有的像元都是好的情况几乎不太可能，坏点数是指芯片中坏点（不能有效成像的像元或相应不一致性大于参数允许范围的像元）的数量，坏点数是衡量芯片质量的重要参数。4. 光谱响应光谱响应是指芯片对于不同光波长光线的响应能力，通常用光谱响应曲线给出。从产品的技术发展趋势看，无论是CCD还是CMOS，其体积小型化及高像素化仍是业界积极研发的目标。因为像素尺寸小则图像产品的分辨率越高、清晰度越好、体积越小，其应用面更广泛。从上述二种图像传感器解析度来看，未来将有几年时间，以130万像素至200万像素为界，之上的应用领域中，将仍以CCD主流，之下的产品中，将开始以CMOS传感器为主流。业界分析2014年底至2015初，将有300万像素的CMOS上市，预测CMOS市场应用超越CCD的时机一般在2004年-2005年。
图像传感器发展现状
编辑
语音
图像传感器的视讯比是给定的，使用高清(HD)分辨率1080p，摄像机设计正朝使用更小的光学格式发展，导致需要更小的像素结构，以降低整体系统成本，同时不影响图像性能或光灵敏度。CCD图像传感器由于灵敏度高、噪声低，逐步成为图像传感器的主流。但由于工艺上的原因，敏感元件和信号处理电路不能集成在同一芯片上，造成由CCD图像 传感器组装的摄像机体积大、功耗大。CMOS图像传感器以其体积小、功耗低在图像传感器市场上独树一帜。但最初市场上的CMOS图像传感器，一直没有摆脱 光照灵敏度低和图像分辨率低的缺点，图像质量还无法与CCD图像传感器相比。如果把CMOS图像传感器的光照灵敏度再提高5倍～10 倍，把噪声进一步降低，CMOS图像传感器的图像质量就可以达到或略微超过CCD图像传感器的水平，同时能保持体积小、重量轻、功耗低、集成度高、价位低 等优点，如此，CMOS图像传感器就会取代CCD图像传感器，并且发展出更好的功效。由于CMOS图像传感器的应用，新一代图像系统的开发研制得到了 极大的发展，并且随着经济规模的形成，其生产成本也得到降低。CMOS图像传感器的画面质量也能与CCD图像传感器相媲美，这主要归功于图像传感器 芯片设计的改进，以及亚微米和深亚微米级设计增加了像素内部的新功能。实际上，更确切地说，CMOS图像传感器应当是一个图像系统。一 个典型的CMOS图像传感器通常包含：一个图像传感器核心(是将离散信号电平多路传输到一个单一的输出，这与CCD图像传感器很相似)，所有的时序逻辑、 单一时钟及芯片内的可编程功能，比如增益调节、积分时间、窗口和模数转换器。事实上，当一位设计者购买了CMOS图像传感器后，他得到的是一个包括图像阵 列逻辑寄存器、存储器、定时脉冲发生器和转换器在内的全部系统。与传统的CCD 图像系统相比，把整个图像系统集成在一块芯片上不仅降低了功耗，而且具有重量较轻，占用空间减少以及总体价格更低的优点。
[3]
词条图册
更多图册
解读词条背后的知识
查看全部
小刀马
IT独立观察家，互联网金融观察家。
手机虽然没落了，但在图像传感器市场索尼还能独占鳌头
...
2019-08-0929
IT之家
青岛软媒网络科技有限公司,优质数码领域创作者
豪威发布 4000 万像素智能手机图像传感器 OV40A
IT之家1月8日消息 今日，豪威科技在国际消费类电子产品展览会之前发布了 OV40A。这款 4000 万像素、 1.0 微米像素尺寸的图像传感器采用超高增益和降噪技术，拥有 1/1.7 英寸光学格式。这款传感器还提供了多个高动态范围（ HDR ）选项，可捕捉静止图像和视频。...
2021-01-080
中国新闻网
中国新闻网官方帐号
三星电子业界首发1亿8百万像素手机图像传感器
中新网8月12日电 手机拍摄照片，视觉效果比人眼识别还清晰？三星最新手机图像传感技术，让梦想照进了现实。近日，三星电子推出手机图像传感器ISOCELL 亮 HMX，像素达1亿8百万，首次打破了手机图像传感器亿级像素的壁垒。像素数量业内最高 完美实现超高清摄影据悉，ISOCE...
2019-08-120
喵芯闻
共享交流电子行业资讯
这枚超大底的图像传感器究竟有多牛？
2021年3月30日，小米召开了春季新品发布会“生生不息”。本次的发布会号称是“最多新品”的一次发布会，因此也吸引了众多数码爱好者的目光。此次新品发布会为两场分两日进行，首日的发布会主要介绍了小米11系列的产品，包括小米11 pro、11 Ultra、11 青春版；而第二场...
2021-03-300
精致而苍老的小猪
游戏领域创作者
[科普]图像传感器
图像传感器（CIS）是利用光电效应（爱因斯坦 1921 年物理诺贝尔奖得奖作品）的机制，入射光进入物质之后转换成 电子-电洞对、进而转为数字化电压的器件。 它的前身是电荷藕合组件（CCD），但是 CIS 出现后，由于生产成本大幅降低，CIS 已经占有绝大部分的应用及市场。C...
2021-04-220
参考资料
1.

祝诗平．传感器与检测技术：北京大学出版社，中国林业出版社，2006年：209
2.

图像传感器最新新闻资讯
．OFweek传感器网[引用日期2016-07-21]
3.

图像传感器的发展及应用现状
．传感器应用网[引用日期2016-05-24]

摄像机图像传感器：模拟高清和数字高清摄像机的区别，全局快门CMOS 图像传感器，Interline Transfer CCD图像传感器

一、视频处理不同：

模拟高清摄像机输出模拟视频信号到后端DVR等设备。DVR通过最前端的DOCODE（采集芯片）将模拟信号转成数字信号，首先得到的是half D1分辨率画面, 再进行压缩后得到CIF画面。数字摄像机采用逐行扫描，后端是完整的一帧接一帧图象接受。

数字高清摄像机最后输出给后端混合DVRPDVRNVRPC电脑的是已经压缩过的数字视频，不需要视频采集芯片进行A/D转换，直接由后端设备存储起来，不需要占用CPU或DSP资源去压缩视频，从而节省了处理器资源，减低了对后端设备的配置要求。

二、视频传输不同：

模拟高清摄像机输出为的模拟信号，长距离传输容易衰减，并且易受到电磁干扰，图像质量受影响。而数字高清摄像机则以数字信号方式传输，无论是多长的传输距离，传输过程都没有干扰烦恼与衰减，视频传输无损伤。

模拟高清摄像机多年前就已经上市，可如今使用量并不理想，主要因素在于数字视频监控系统成本价格较高，使很多用户望而却步；其次是其对网络带宽的要求较高，在许多情况下难以使用；再者就是其兼容性差，后端配套设备各厂家互不兼容。

三、视频布线不同：

模拟高清摄像机如果集成了PTZ等控制与声音，那么在布线方面就非常繁琐。视频线，音频线，电源线，控制线都是独立的，布线工作量大，并且布线成本高。

数字高清摄像机则可以将视频线，音频线，电源线，控制线4合为1，采用一根网线传输，布线简单，同时大大降低了布线成本与难度。

CMOS
全局快门CMOS 图像传感器

CMOS图像传感器能提供CCD图像传感器不具备的一些功能，内部集成数字处理能力，如可在像素内部将电荷转为电压，从而提供比CCD更快的帧率。而且，CMOS架构支持用户根据自己的需要设计小窗口输出，使读出更灵活。此外，CMOS的功耗低，设计简单。虽然CCD图像传感器在成像质量上仍处于领先地位，但随着技术的发展，全局快门CMOS和CCD图像传感器的成像质量的差异会越来越小。全局快门CMOS图像传感器的关键应用包括检验、医疗成像、运动分析、安防、显微镜及智能交通等等。

现代接口如USB3、USB3.1、10 GigE、Cameralink的带宽，ROI模式用于定制的输出选择，开窗时速度以平方增加。

通用平台框图如图3所示，通常用FPGA提供传感器的外部控制信号，及作为传感器的输出转换接口，同时做一些简单的图像处理，并用USB3.0、GigE、Camera link等视频接口输出图像。

CCD
Interline Transfer CCD图像传感器

Interline Transfer CCD 比Full frame CCD提供更多的功能性，它采用电子快门，比机械快门更简单稳定，图像一致性好，噪声低，可用于对图像品质要求极为严格的机器视觉、监控、智能交通、医疗和科学等领域。

相对于CMOS的设计，CCD的电源和时钟要求比较严格，需要专门的水平时钟驱动、垂直时钟驱动和电子快门驱动，由于是模拟信号输出，需要外部ADC将模拟信号转换成数字信号输出，再经FPGA处理，由USB3.0、GigE、Camera link等视频接口输出图像。