CMOS傳感器

當(dāng)今的CMOS圖像轉(zhuǎn)換技術(shù)不僅服務(wù)于“傳統(tǒng)的”工業(yè)圖像處理，而且還憑借其卓越的性能和靈活性而被日益廣泛的新穎消費(fèi)應(yīng)用所接納。此外，它還能確保汽車(chē)駕駛時(shí)的高安全性和舒適性。最初，CMOS圖像傳感器被應(yīng)用于工業(yè)圖像處理；在那些旨在提高生產(chǎn)率、質(zhì)量和生產(chǎn)工藝經(jīng)濟(jì)性的全新自動(dòng)化解決方案中，它至今仍然是至關(guān)重要的一環(huán)。

據(jù)市場(chǎng)研究公司IMS Research的預(yù)測(cè)，在未來(lái)的幾年中，歐洲工業(yè)圖像處理市場(chǎng)的年成長(zhǎng)率將達(dá)到6%，其中，在相機(jī)中集成了軟件功能的智能型解決方案的市場(chǎng)份額將不斷擴(kuò)大。在德國(guó)，據(jù)其全國(guó)工具機(jī)供應(yīng)商協(xié)會(huì)VDMA提供的數(shù)據(jù)，2004年的圖像處理市場(chǎng)增長(zhǎng)率達(dá)到了14%。市場(chǎng)調(diào)研公司In-Stat/MDR亦指出，單就圖像傳感器的次級(jí)市場(chǎng)而言，其年成長(zhǎng)率將高達(dá)30%以上，而且這種情況將持續(xù)到2008年。最為重要的是：CMOS傳感器的成長(zhǎng)速度將達(dá)到CCD傳感器的七倍，照相手機(jī)和數(shù)碼相機(jī)的迅速普及是這種需求的主要推動(dòng)因素。

顯然，人們?nèi)绱丝春肅MOS圖像轉(zhuǎn)換器的成長(zhǎng)前景是基于這樣一個(gè)事實(shí)，即：與壟斷該領(lǐng)域長(zhǎng)達(dá)30多年的CCD技術(shù)相比，它能夠更好地滿足用戶對(duì)各種應(yīng)用中新型圖像傳感器不斷提升的品質(zhì)要求，如更加靈活的圖像捕獲、更高的靈敏度、更寬的動(dòng)態(tài)范圍、更高的分辨率、更低的功耗以及更加優(yōu)良的系統(tǒng)集成等。此外，CMOS圖像轉(zhuǎn)換器還造就了一些迄今為止尚不能以經(jīng)濟(jì)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)的新穎應(yīng)用。另外，還有一些有利于CMOS傳感器的“軟”標(biāo)準(zhǔn)在起作用，包括：應(yīng)用支持、抗輻射性、快門(mén)類型、開(kāi)窗口和光譜覆蓋率等。不過(guò)，這種區(qū)別稍帶幾分任意性，因?yàn)檫@些標(biāo)準(zhǔn)的重要程度將由于應(yīng)用的不同（消費(fèi)、工業(yè)或汽車(chē)）而發(fā)生變化。^[1] 

就像我們從模擬攝影所獲知的那樣，拍攝一幅完整場(chǎng)景的照片是一件相當(dāng)普通的事情，照相手機(jī)同樣如此。但是，對(duì)于工業(yè)或汽車(chē)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，情況就大不一樣了：有些場(chǎng)合并不需要很高的全幀數(shù)據(jù)速率。比如，在監(jiān)控攝像機(jī)中，只要能夠發(fā)現(xiàn)一幅場(chǎng)景中出現(xiàn)的變化（因?yàn)檫@種變化可能預(yù)示著某種可疑情況），那么分辨率低一點(diǎn)也是完全可以接受的。在此基礎(chǔ)之上才需要借助全分辨率來(lái)采集更多的細(xì)節(jié)信息。跟著發(fā)生的動(dòng)作將只在攝像機(jī)視場(chǎng)的某一部分當(dāng)中進(jìn)行播放，而且，在所捕獲的場(chǎng)景中，只有這一部分才是監(jiān)控人員所關(guān)注的。

對(duì)于只提供全幀圖像的CCD圖像傳感器而言，只有采用一個(gè)分離的評(píng)估電路才能夠提供兩個(gè)觀測(cè)角度，這意味著處理時(shí)間和成本的增加。然而，CMOS圖像傳感器的工作原理則與RAM相似，所有的存儲(chǔ)位均可單獨(dú)讀出。CMOS傳感器的二次采樣雖然提供了較低的分辨率，但是幀速率較高；而開(kāi)窗口則允許隨機(jī)選擇一塊感興趣的區(qū)域。

最新CMOS傳感器獲得廣泛應(yīng)用的一個(gè)前提是其所擁有的較高靈敏度、較短曝光時(shí)間和日漸縮小的像素尺寸。像素靈敏度的一個(gè)衡量尺度是填充因子（感光面積與整個(gè)像素面積之比）與量子效率（由轟擊屏幕的光子所生成的電子的數(shù)量）的乘積。CCD傳感器因其技術(shù)的固有特性而擁有一個(gè)很大的填充因子。而在CMOS圖像傳感器中，為了實(shí)現(xiàn)堪與CCD轉(zhuǎn)換器相媲美的噪聲指標(biāo)和靈敏度水平，人們給CMOS圖像傳感器裝配上了有源像素傳感器（APS），并且導(dǎo)致填充因子降低，原因是像素表面相當(dāng)大的一部分面積被放大器晶體管所占用，留給光電二極管的可用空間較小。所以，當(dāng)今CMOS傳感器的一個(gè)重要的開(kāi)發(fā)目標(biāo)就是擴(kuò)大填充因子。賽普拉斯（FillFactory）通過(guò)其獲得專利授權(quán)的一項(xiàng)技術(shù)，可以大幅度地提高填充因子，這種技術(shù)可以把一顆標(biāo)準(zhǔn)CMOS硅芯片最大的一部分面積變?yōu)橐粔K感光區(qū)域。隨著像素尺寸的變小，提高填充因子所來(lái)越困難，目前最流行的技術(shù)是從傳統(tǒng)的前感光式（FSI，F(xiàn)ront Side Illumination）變?yōu)楸巢扛泄馐剑˙SI，Back Side Illumination），放大器等晶體管以及互聯(lián)電路置于背部，前部全部留給光電二極管，這樣就實(shí)現(xiàn)了100%的填充因子（如右側(cè)示意圖所示）。

另外，對(duì)于一個(gè)典型的工業(yè)用圖象傳感器而言，由于許多場(chǎng)景的拍攝都是在照明條件很差的情況下進(jìn)行的，因此擁有較大的動(dòng)態(tài)范圍將是十分有益的。CMOS圖像傳感器通過(guò)多斜率操作實(shí)現(xiàn)了這一目標(biāo)：轉(zhuǎn)換曲線由傾度不同的直線部分所組成，它們共同形成了一個(gè)非線性特征曲線。因此，一幅場(chǎng)景的黑暗部分有可能占據(jù)集成模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換范圍的很大一部分：轉(zhuǎn)換特征曲線在這里最為陡峭，以實(shí)現(xiàn)高靈敏度和對(duì)比度。特征曲線上半部分的平整化將在圖像的明亮部分捕獲幾個(gè)數(shù)量級(jí)的過(guò)度曝光，并以一個(gè)更加細(xì)致的標(biāo)度來(lái)表現(xiàn)它們。采用多斜率的方式來(lái)運(yùn)作LUPA-4000將使高達(dá)90dB的光動(dòng)態(tài)范圍與一個(gè)10位A/D轉(zhuǎn)換范圍相匹配。

具有VGA分辨率的IM-001系列CMOS圖像傳感器在此基礎(chǔ)上更進(jìn)一步；它們是專為汽車(chē)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。其像素由光電二極管組成，可提供高達(dá)120dB的自適應(yīng)動(dòng)態(tài)范圍。面向汽車(chē)應(yīng)用的ACM 100相機(jī)模塊就采用了這些傳感器，這種相機(jī)模塊據(jù)稱是同類產(chǎn)品中率先面市的全集成化相機(jī)解決方案：該視覺(jué)解決方案被看作是面向駕駛者保護(hù)、防撞、夜視支持和輪胎跟蹤導(dǎo)向的未來(lái)汽車(chē)安全系統(tǒng)的關(guān)鍵元件。

此外，對(duì)于獨(dú)立于電網(wǎng)的便攜式應(yīng)用而言，以低功耗特性而著稱的CMOS技術(shù)還具有一個(gè)明顯的優(yōu)勢(shì)：CMOS圖像傳感器是針對(duì)5V和3.3V電源電壓而設(shè)計(jì)的。而CCD芯片則需要大約12V的電源電壓，因此不得不采用一個(gè)電壓轉(zhuǎn)換器，從而導(dǎo)致功耗增加。在總功耗方面，把控制和系統(tǒng)功能集成到CMOS傳感器中將帶來(lái)另一個(gè)好處：它去除了與其他半導(dǎo)體元件的所有外部連接線。其高功耗的驅(qū)動(dòng)器如今已遭棄用，這是因?yàn)樵谛酒瑑?nèi)部進(jìn)行通信所消耗的能量要比通過(guò)PCB或襯底的外部實(shí)現(xiàn)方式低得多。

在現(xiàn)代CMOS圖像傳感器中，一個(gè)重要的發(fā)展趨勢(shì)是其光譜靈敏度擴(kuò)展到了近紅外區(qū)NIR（至約1,100nm的波長(zhǎng)）。配備了IM-001 CMOS圖像傳感器的汽車(chē)應(yīng)用將改善霧穿透力和夜視能力。由于工業(yè)圖像捕獲技術(shù)開(kāi)始運(yùn)用更多波長(zhǎng)位于NIR之中的光源，而且生物技術(shù)也在利用該光譜區(qū)域中的有趣現(xiàn)象，因此，新開(kāi)發(fā)的IBIS 5-AE-1300傳感器具有700～900nm的NIR靈敏度。

在面向消費(fèi)應(yīng)用的圖像捕獲技術(shù)中，另一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)是繼續(xù)提高分辨率。到2005年年中，70%左右的手機(jī)相機(jī)已具有VGA格式分辨率（640×480像素）；但隨后的2006年，幾百萬(wàn)像素的傳感器就將占領(lǐng)50%的市場(chǎng)份額，而到2008年，其市場(chǎng)占有率預(yù)計(jì)將進(jìn)一步攀升至90%以上。為此，賽普拉斯公司開(kāi)發(fā)了一種用于蜂窩電話的300萬(wàn)像素圖像傳感器，該產(chǎn)品采用了Autobrite技術(shù)，可進(jìn)行12位模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換，并提供了72dB的寬廣動(dòng)態(tài)范圍，而目前市面上的10位模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器的動(dòng)態(tài)范圍僅為60dB。逐行掃描模式中的幀速率高達(dá)30幀/秒，因而可錄制實(shí)況視頻節(jié)目。

在工業(yè)和商業(yè)領(lǐng)域中，這種發(fā)展趨勢(shì)也很明顯：賽普拉斯已推出一款用于Kodak數(shù)碼相機(jī)的1,300萬(wàn)像素/35mm圖像傳感器，另外，660萬(wàn)像素的IBIS 4-6600傳感器正在一種面向弱視人群的自動(dòng)閱讀輔助裝置中證明自己的卓越品質(zhì)－－它可在一幅完整的標(biāo)準(zhǔn)A4頁(yè)面上提供出色的分辨率。

憑借技術(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成 由于蜂窩電話、數(shù)碼相機(jī)、MP3播放機(jī)和PDA等傳統(tǒng)分離型功能設(shè)備的加速數(shù)字融合（即成為一部緊湊的消費(fèi)型電子產(chǎn)品），導(dǎo)致人們?cè)絹?lái)越希望至少具有部分自主性的子系統(tǒng)能夠在一部設(shè)備中提供極為寬泛的功能。這種趨勢(shì)還將對(duì)專業(yè)測(cè)量技術(shù)產(chǎn)生影響：利用包含一個(gè)數(shù)碼相機(jī)、PDA用戶接口和WLAN聯(lián)網(wǎng)能力的便攜式檢驗(yàn)工具，光測(cè)試和監(jiān)視的應(yīng)用范圍將得到有效的拓展。作為一種平臺(tái)技術(shù)，CMOS符合這一發(fā)展潮流：CCD圖像轉(zhuǎn)換器仍然需要采用外部邏輯電路來(lái)實(shí)現(xiàn)控制和模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換功能，而CMOS標(biāo)準(zhǔn)邏輯器件則能夠把傳感器、控制器、轉(zhuǎn)換器和評(píng)估邏輯電路等全部集成到一塊芯片之中。

一個(gè)典型的例子如專門(mén)針對(duì)要求苛刻的消費(fèi)應(yīng)用而制作的CYIWCSC1300AA芯片的圖像捕獲電路。它基于130萬(wàn)像素圖像傳感器CYIWOSC1300AA 和一個(gè)用于提供誤差插補(bǔ)、黑電平調(diào)整、透鏡校正、信號(hào)互串校正、彩色馬賽克修補(bǔ)、彩色校正、自動(dòng)曝光、噪聲抑制、特效和γ校正等等諸多功能的附加信號(hào)處理器。集成更多的系統(tǒng)功能（一直到自主型光電傳感器系統(tǒng)）是可行的，這主要取決于諸如市場(chǎng)容量和開(kāi)發(fā)成本等經(jīng)濟(jì)目標(biāo)和限制因素。

IMS Research公司的資深市場(chǎng)分析家John Morse指出：“工業(yè)圖像處理市場(chǎng)的變化非?？?，不光是在技術(shù)層面上，而且還涉及近期發(fā)生的制造商合并事件。我們認(rèn)為這種趨勢(shì)還將繼續(xù)下去。”果真如此，那么這同樣適用于賽普拉斯公司：通過(guò)收購(gòu)MIT（美國(guó)麻省理工學(xué)院）于1999年成立的SMal Camera Technologies公司，賽普拉斯已將其業(yè)務(wù)觸角延伸到了消費(fèi)和汽車(chē)領(lǐng)域；而兼并FillFactory（這是一家于1999年從總部位于比利時(shí)Leuven的著名歐洲微電子和納米技術(shù)研究中心IMEC抽資脫離而成的公司）則使賽普拉斯進(jìn)一步躋身工業(yè)領(lǐng)域。

CMOS圖像傳感器市場(chǎng)正在蓬勃發(fā)展之中，即將成為一個(gè)大規(guī)模市場(chǎng)。它在很大程度上仍然依賴于客戶專用設(shè)計(jì)來(lái)滿足規(guī)格和系統(tǒng)集成方面的一組定制要求。不過(guò)，它將越來(lái)越多地提供通用的標(biāo)準(zhǔn)解決方案。分辨率、幀速率和靈敏度的提高以及成本的下降正使其應(yīng)用領(lǐng)域不斷地?cái)U(kuò)大。要的一環(huán)。

CMOS傳感器按為像素結(jié)構(gòu)分被動(dòng)式與主動(dòng)式兩種。

被動(dòng)式像素結(jié)構(gòu)（Passive Pixel Sensor.簡(jiǎn)稱PPS），又叫無(wú)源式。它由一個(gè)反向偏置的光敏二極管和一個(gè)開(kāi)關(guān)管構(gòu)成。光敏二極管本質(zhì)上是一個(gè)由P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體組成的PN結(jié)，它可等效為一個(gè)反向偏置的二極管和一個(gè)MOS電容并聯(lián)。當(dāng)開(kāi)關(guān)管開(kāi)啟時(shí)，光敏二極管與垂直的列線（Column bus）連通。位于列線末端的電荷積分放大器讀出電路（Charge integrating amplifier）保持列線電壓為一常數(shù)，當(dāng)光敏二極管存貯的信號(hào)電荷被讀出時(shí)，其電壓被復(fù)位到列線電壓水平，與此同時(shí)，與光信號(hào)成正比的電荷由電荷積分放大器轉(zhuǎn)換為電荷輸出。

主動(dòng)式像素結(jié)構(gòu)（Active Pixel Sensor.簡(jiǎn)稱APS），又叫有源式，如圖2所示. 幾乎在CMOS PPS像素結(jié)構(gòu)發(fā)明的同時(shí)，人們很快認(rèn)識(shí)到在像素內(nèi)引入緩沖器或放大器可以改善像素的性能，在CMOS APS中每一像素內(nèi)都有自己的放大器。集成在表面的放大晶體管減少了像素元件的有效表面積，降低了“封裝密度”，使40%～50%的入射光被反射。這種傳感器的另一個(gè)問(wèn)題是，如何使傳感器的多通道放大器之間有較好的匹配，這可以通過(guò)降低殘余水平的固定圖形噪聲較好地實(shí)現(xiàn)。由于CMOS APS像素內(nèi)的每個(gè)放大器僅在此讀出期間被激發(fā)，所以CMOS APS的功耗比CCD圖像傳感器的還小。

這填充因數(shù)（Fill Factor），又叫充滿因數(shù)，它指像素上的光電二極管相對(duì)于像素表面的大小。量子效率（Quantun efficiency）是指一個(gè)像素被光子撞擊后實(shí)際和理論最大值電子數(shù)的歸一化值.被動(dòng)式像素結(jié)構(gòu)的電荷填充因數(shù)通?？蛇_(dá)到70%，因此量子效率高。但光電二極管積累的電荷通常很小，很易受到雜波干擾。再說(shuō)像素內(nèi)部又沒(méi)有信號(hào)放大器，只依賴垂直總線終端放大器，因而讀出的信號(hào)雜波很大，其S/N比低，更因不同位置的像素雜波大小不一樣（固定圖形噪波FPN）而影響整個(gè)圖像的質(zhì)量。而主動(dòng)性像素結(jié)構(gòu)與被動(dòng)式相比，它在每個(gè)像素處增加了一個(gè)放大器，可以將光電二極管積累的電荷轉(zhuǎn)換成電壓進(jìn)行放大，大大提高了S/N比，從而提高了傳輸過(guò)程中抗干擾的能力。但由于放大器占據(jù)了過(guò)多的像素面積，因而它的填充因數(shù)相對(duì)較低，一般在25%-35%之間。

這是影響CMOS傳感器性能的首要問(wèn)題。這種噪聲包括固定圖形噪聲FPN(Fixed pattern noise）、暗電流噪聲、熱噪聲等。固定圖形噪聲產(chǎn)生的原因是一束同樣的光照射到兩個(gè)不同的象素上產(chǎn)生的輸出信號(hào)不完全相同。噪聲正是這樣被引入的。對(duì)付固定圖形噪聲可以應(yīng)用雙采樣或相關(guān)雙采樣技術(shù)。具體地說(shuō)來(lái)有點(diǎn)像在設(shè)計(jì)模擬放大器時(shí)引入差分對(duì)來(lái)抑制共模噪聲。雙采樣是先讀出光照產(chǎn)生的電荷積分信號(hào)，暫存然后對(duì)象素單元進(jìn)行復(fù)位，再讀取此象素單元地輸出信號(hào)。兩者相減得出圖像信號(hào)。兩種采樣均能有效抑制固定圖形噪聲。另外，相關(guān)雙采樣需要臨時(shí)存儲(chǔ)單元，隨著象素地增加，存儲(chǔ)單元也要增加。

物理器件不可能是理想的，如同亞閾值效應(yīng)一樣，由于雜質(zhì)、受熱等其他原因的影響，即使沒(méi)有光照射到象素，象素單元也會(huì)產(chǎn)生電荷，這些電荷產(chǎn)生了暗電流。暗電流與光照產(chǎn)生的電荷很難進(jìn)行區(qū)分。暗電流在像素陣列各處也不完全相同，它會(huì)導(dǎo)致固定圖形噪聲。對(duì)于含有積分功能的像素單元來(lái)說(shuō)，暗電流所造成的固定圖形噪聲與積分時(shí)間成正比。暗電流的產(chǎn)生也是一個(gè)隨機(jī)過(guò)程，它是散彈噪聲的一個(gè)來(lái)源。因此，熱噪聲元件所產(chǎn)生的暗電流大小等于像素單元中的暗電流電子數(shù)的平方根。當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間的積分單元被采用時(shí)，這種類型的噪聲就變成了影響圖像信號(hào)質(zhì)量的主要因素，對(duì)于昏暗物體，長(zhǎng)時(shí)間的積分是必要的，并且像素單元電容容量是有限的，于是暗電流電子的積累限制了積分的最長(zhǎng)時(shí)間。

為減少暗電流對(duì)圖像信號(hào)的影響，首先可以采取降溫手段。但是，僅對(duì)芯片降溫是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，由暗電流產(chǎn)生的固定圖形噪聲不能完全通過(guò)雙采樣克服?，F(xiàn)在采用的有效的方法是從已獲得的圖像信號(hào)中減去參考暗電流信號(hào)。

類似于放大器由于線性區(qū)的范圍有限而存在一個(gè)輸入上限，對(duì)于CMOS圖像傳感芯片來(lái)說(shuō)，它也有一個(gè)輸入的上限。輸入光信號(hào)若超過(guò)此上限，像素單元將飽和而不能進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換。對(duì)于含有積分功能的像素單元來(lái)說(shuō)，此上限由光電子積分單元的容量大小決定：對(duì)于不含積分功能的像素單元，該上限由流過(guò)光電二極管或三極管的最大電流決定。在輸入光信號(hào)飽和時(shí)，溢出模糊就發(fā)生了。溢出模糊是由于像素單元的光電子飽和進(jìn)而流出到鄰近的像素單元上。溢出模糊反映到圖像上就是一片特別亮的區(qū)域。這有些類似于照片上的曝光過(guò)度。溢出模糊可通過(guò)在像素單元內(nèi)加入自動(dòng)泄放管來(lái)克服，泄放管可以有效地將過(guò)剩電荷排出。但是，這只是限制了溢出，卻不能使象素能真實(shí)還原出圖像了。

CCD與CMOS傳感器是被普遍采用的兩種圖像傳感器，兩者都是利用感光二極管（photodiode）進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，將圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，而其主要差異是數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳送的方式不同。

CCD傳感器中每一行中每一個(gè)象素的電荷數(shù)據(jù)都會(huì)依次傳送到下一個(gè)象素中，由最底端部分輸出，再經(jīng)由傳感器邊緣的放大器進(jìn)行放大輸出；而在CMOS傳感器中，每個(gè)象素都會(huì)鄰接一個(gè)放大器及A/D轉(zhuǎn)換電路，用類似內(nèi)存電路的方式將數(shù)據(jù)輸出。

造成這種差異的原因在于：CCD的特殊工藝可保證數(shù)據(jù)在傳送時(shí)不會(huì)失真，因此各個(gè)象素的數(shù)據(jù)可匯聚至邊緣再進(jìn)行放大處理；而CMOS工藝的數(shù)據(jù)在傳送距離較長(zhǎng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生噪聲，因此，必須先放大，再整合各個(gè)象素的數(shù)據(jù)^[3] 。

由于數(shù)據(jù)傳送方式不同，因此CCD與CMOS傳感器在效能與應(yīng)用上也有諸多差異，這些差異包括：

由于CMOS傳感器的每個(gè)象素由四個(gè)晶體管與一個(gè)感光二極管構(gòu)成（含放大器與A/D轉(zhuǎn)換電路），使得每個(gè)象素的感光區(qū)域遠(yuǎn)小于象素本身的表面積，因此在象素尺寸相同的情況下，CMOS傳感器的靈敏度要低于CCD傳感器。^[3] 

由于CMOS傳感器采用一般半導(dǎo)體電路最常用的CMOS工藝，可以輕易地將周邊電路（如AGC、CDS、Timing generator、或DSP等）集成到傳感器芯片中，因此可以節(jié)省外圍芯片的成本；除此之外，由于CCD采用電荷傳遞的方式傳送數(shù)據(jù)，只要其中有一個(gè)象素不能運(yùn)行，就會(huì)導(dǎo)致一整排的數(shù)據(jù)不能傳送，因此控制CCD傳感器的成品率比CMOS傳感器困難許多，即使有經(jīng)驗(yàn)的廠商也很難在產(chǎn)品問(wèn)世的半年內(nèi)突破50%的水平，因此，CCD傳感器的成本會(huì)高于CMOS傳感器。^[3] 

CMOS傳感器的每個(gè)象素都比CCD傳感器復(fù)雜，其象素尺寸很難達(dá)到CCD傳感器的水平，因此，當(dāng)比較相同尺寸的CCD與CMOS傳感器時(shí)，CCD傳感器的分辨率通常會(huì)優(yōu)于CMOS傳感器的水平。例如，市面上CMOS傳感器最高可達(dá)到210萬(wàn)象素的水平（OmniVision的 OV2610，2002年6月推出），其尺寸為1/2英寸，象素尺寸為4.25μm，但Sony在2002年12月推出了ICX452，其尺寸與 OV2610相差不多（1/1.8英寸），但分辨率卻能高達(dá)513萬(wàn)象素，象素尺寸也只有2.78μm的水平。^[3] 

由于CMOS傳感器的每個(gè)感光二極管都需搭配一個(gè)放大器，而放大器屬于模擬電路，很難讓每個(gè)放大器所得到的結(jié)果保持一致，因此與只有一個(gè)放大器放在芯片邊緣的CCD傳感器相比，CMOS傳感器的噪聲就會(huì)增加很多，影響圖像品質(zhì)。^[3] 

CMOS傳感器的圖像采集方式為主動(dòng)式，感光二極管所產(chǎn)生的電荷會(huì)直接由晶體管放大輸出，但CCD傳感器為被動(dòng)式采集，需外加電壓讓每個(gè)象素中的電荷移動(dòng)，而此外加電壓通常需要達(dá)到12~18V；因此，CCD傳感器除了在電源管理電路設(shè)計(jì)上的難度更高之外（需外加 power IC），高驅(qū)動(dòng)電壓更使其功耗遠(yuǎn)高于CMOS傳感器的水平。舉例來(lái)說(shuō)，OmniVision推出的OV7640(1/4英寸、VGA），在 30 fps的速度下運(yùn)行，功耗僅為40mW；而致力于低功耗CCD傳感器的Sanyo公司推出的1/7英寸、CIF等級(jí)的產(chǎn)品，其功耗卻仍保持在90mW 以上。因此CCD發(fā)熱量比CMOS大，不能長(zhǎng)時(shí)間在陽(yáng)光下工作。

綜上所述，CCD傳感器在靈敏度、分辨率、噪聲控制等方面都優(yōu)于CMOS傳感器，而CMOS傳感器則具有低成本、低功耗、以及高整合度的特點(diǎn)。不過(guò)，隨著CCD與CMOS傳感器技術(shù)的進(jìn)步，兩者的差異有逐漸縮小的態(tài)勢(shì)，例如，CCD傳感器一直在功耗上作改進(jìn)，以應(yīng)用于移動(dòng)通信市場(chǎng)（這方面的代表業(yè)者為Sanyo）；CMOS傳感器則在改善分辨率與靈敏度方面的不足，以應(yīng)用于更高端的圖像產(chǎn)品。

投入CMOS研發(fā)、生產(chǎn)的廠商較多，美國(guó)有30多家，歐洲7家，日本約8家，韓國(guó)1家，臺(tái)灣有8家。而居全球翹楚地位的廠商是Agilent(HP），其市場(chǎng)占有率51%、ST(VLSI Vision）占16%、Omni Vision占13%、現(xiàn)代占8%、Photobit約占5%，這五家合計(jì)市占率達(dá)93%。

Sony是全球CCD傳感器第一大廠，也是第一家投入12英寸晶圓、推出600萬(wàn)象素CCD的公司，Sony約有30~40%的CCD傳感器供自有品牌產(chǎn)品使用，其它則賣(mài)給Canon、Sanyo、Casio、以及臺(tái)灣的新虹、普利爾、詮訊（與臺(tái)灣佳能合并）等廠商。

Sony的產(chǎn)品技術(shù)藍(lán)圖顯示，2003年除了800萬(wàn)象素的ICX 456外，并無(wú)其它微縮工藝的產(chǎn)品問(wèn)世。產(chǎn)品尺寸將大致保持現(xiàn)有水平，取而代之的是強(qiáng)化攝影功能與支持progressive scan（連續(xù)式掃描），例如500萬(wàn)象素的ICX455/465、330萬(wàn)象素的ICX451/481、以及210萬(wàn)象素的ICX461等，令高端產(chǎn)品也能達(dá)到30fps以上的數(shù)據(jù)傳送速率。

高端產(chǎn)品的大部分市場(chǎng)仍被Sony占據(jù)，再加上市場(chǎng)仍處于供不應(yīng)求的局面，公司并未急于做降低成本的動(dòng)作，不過(guò)，一旦Sony最先進(jìn)的工藝（象素尺寸2.6~2.8mm）達(dá)到成熟階段（成品率超過(guò)50%），該公司勢(shì)必近一步將此工藝應(yīng)用到其它產(chǎn)品上（目前仍只有1/1.8英寸、 500萬(wàn)象素產(chǎn)品使用此工藝），屆時(shí)可能會(huì)有1/2.7英寸、400萬(wàn)象素產(chǎn)品問(wèn)世。

OmniVision成立于1995年（以下簡(jiǎn)稱OV)，2002年6月領(lǐng)先其它同業(yè)率先推出210萬(wàn)象素的OV2610震驚市場(chǎng)，雖然目前采用此傳感器量產(chǎn)的產(chǎn)品并不多，但這已說(shuō)明CMOS傳感器可以開(kāi)始進(jìn)入原本屬于CCD傳感器的中高端數(shù)碼相機(jī)市場(chǎng)； OV的數(shù)據(jù)顯示，目前已有天瀚、明、鴻友等臺(tái)灣商家開(kāi)始采用該公司的OV2610。展望2003年，OV將在1季度~2季度之間推出330萬(wàn)象素、1/2英寸的產(chǎn)品，采TSMC 0.18mm工藝生產(chǎn)，再次拓展CMOS傳感器的應(yīng)用范圍。在移動(dòng)電話市場(chǎng)上，CMOS模組的攝相模塊已經(jīng)成為移動(dòng)通訊應(yīng)用的最大量產(chǎn)品。

在低功耗產(chǎn)品方面，OV也在2002年12巒瞥雋薕V7640，可以在2.5V的環(huán)境下運(yùn)行，為目前VGA產(chǎn)品中功耗最低的芯片。而在2003 年新規(guī)劃的產(chǎn)品方面，OV計(jì)劃在下半年推出130萬(wàn)象素、1/4英寸，以及VGA、1/7英寸的產(chǎn)品，希望在CCD廠家推出低功耗的130萬(wàn)素產(chǎn)品之前，先行搶占市場(chǎng)先機(jī)。

Agilent主要的產(chǎn)品為第二代的CIF(352*288)HDCS-1020和第二代的VGA(640*480)HDCS-2020，主要應(yīng)用在數(shù)碼相機(jī) 、行動(dòng)電話、PDA、PC Camera等新興的資訊家電產(chǎn)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(lián)盟，打入了光學(xué)鼠標(biāo)產(chǎn)品領(lǐng)域，但是這是非常低階的CMOS產(chǎn)品，而且不是為了捕捉影像 ，所以在做影像感測(cè)器的全球統(tǒng)計(jì)時(shí)并未將此數(shù)量一并加入，但是此舉可看出Agilent以CMOS技術(shù)為基礎(chǔ)進(jìn)軍光學(xué)元件的規(guī)劃意圖。

Photobit在2000年獲得較大成功。2001年P(guān)hotobit率先研發(fā)出PB-0330產(chǎn)品型號(hào)的CMOS圖像傳感器，此產(chǎn)品特色具備單一晶片邏輯轉(zhuǎn)數(shù)位的變頻器，它是第二代1/4寸的VGA(640 x 480），同時(shí)也推出PB-0111產(chǎn)品型號(hào)的CMOS影像感測(cè)器，是第二代1/5寸的CIF(352 x 288）。Photobit推出這兩種產(chǎn)品主要針對(duì)數(shù)碼相機(jī)和PC Camera這些近年來(lái)蓬勃發(fā)展的數(shù)位化產(chǎn)品，和OmniVision CIF(352 x 288）定位在行動(dòng)電話市場(chǎng)上有所區(qū)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(cè)器，行銷范圍意圖含蓋低階和中高階市場(chǎng)。Photobit 后來(lái)被Micron（美光）收購(gòu)。之后，Micron把圖像傳感器部門(mén)獨(dú)立出來(lái)，成立了現(xiàn)在的Aptina。

高品質(zhì)工業(yè)CMOS圖像傳感器，主要產(chǎn)品DYNAMAX-11。這顆新的傳感器含有的全局電子曝光快門(mén)技術(shù)，極大地改善了工業(yè)成像在室內(nèi)和室外的應(yīng)用。這顆新發(fā)布的DYNAMAX-11圖像傳感器適合用于機(jī)器視覺(jué)、安防監(jiān)控、智能交通、生命科學(xué)、生物醫(yī)療、科學(xué)影像、高清錄像、電視廣播等工業(yè)成像領(lǐng)域。這顆新發(fā)布的DYNAMAX-11圖像傳感器含有320萬(wàn)像素，像素大小為5.0µm × 5.0µm。

最具特色的是Sanyo，該公司致力于改善CCD 傳感器的功耗，以相機(jī)電話為主要應(yīng)用目標(biāo)，之前J-Phone率先推出的Sharp J-SHxx系列便是采用Sanyo的CIF級(jí)CCD傳感器，Sharp、Toshiba等手機(jī)廠家也計(jì)劃在02年4季度~03年1季度之間陸續(xù)引入 Sanyo的VGA產(chǎn)品。Matsushita、Sharp的產(chǎn)品規(guī)劃與Sony相差不多，主要差異在于Matsushita準(zhǔn)備推出更小的400萬(wàn)象素 (1/2.7英寸）與130萬(wàn)象素（1/4英寸）產(chǎn)品。

專家們認(rèn)為，21世紀(jì)初全球CMOS圖像傳感器市場(chǎng)將在PC攝像機(jī)、移動(dòng)通信市場(chǎng)、數(shù)碼相機(jī)、攝像機(jī)市場(chǎng)市場(chǎng)等領(lǐng)域獲得大幅度增長(zhǎng)，在未來(lái)的幾年時(shí)間內(nèi)，在130 萬(wàn)像素至200萬(wàn)像素之下的產(chǎn)品中，將開(kāi)始以CMOS傳感器為主流。以小型化和低功耗CMOS圖像傳感器為核心的攝像機(jī)正在成為消費(fèi)類產(chǎn)品的主流，上述領(lǐng)域?qū)閳D像傳感器市場(chǎng)帶來(lái)巨大發(fā)展 。

2009年8月28日，索尼秋季數(shù)碼影像新品發(fā)布會(huì)在北京隆重舉行，索尼宣布在三條產(chǎn)品線推出共十款數(shù)碼影像新品。其中 DSC-TX1和DSC-WX1首次應(yīng)用了新型影像傳感器Exmor R CMOS影像傳感器，它采用先進(jìn)的背照射技術(shù)，其對(duì)光線的靈敏度比傳統(tǒng)的CMOS影像傳感器提高了約2倍，大幅提升了拍攝畫(huà)質(zhì)，得到明亮畫(huà)面的同時(shí)更好地降噪，使得在低照度條件下仍然可以獲得細(xì)節(jié)豐富的照片，造就卓越的夜間拍攝性能。該傳感器具備1020萬(wàn)有效像素，支持從ISO100~ISO3200的感光度范圍，并支持720p的高畫(huà)質(zhì)動(dòng)態(tài)影像視頻拍攝。性能強(qiáng)大的Exmor R MOS配合BIONZ影像處理器，可以快速準(zhǔn)確地處理海量信息，使DSC TX1和WX1具備了手持夜景模式、全景拍攝、動(dòng)作防抖和每秒最高約10張。

三星電子公司提高CMOS傳感器靈敏度的背面照射（BSI：backside illumination）技術(shù)達(dá)到了實(shí)用化水平，2010年將批量生產(chǎn)產(chǎn)品。三家大型CMOS傳感器公司均將在2010年開(kāi)始量產(chǎn)采用背面照射技術(shù)的 CMOS傳感器（BSI型CMOS傳感器）。三星在工藝技術(shù)方面將采用適于降低成本的方法。之所以著手從事BSI技術(shù)，是因?yàn)橥ㄟ^(guò)提高靈敏度能夠維持相同的靈敏度同時(shí)縮小像素間距。據(jù)該公司估算，1.4μm間距的BSI型能夠獲得與基于現(xiàn)有技術(shù)的FSI（Front Side Illumination）型1.75μm間距產(chǎn)品相同的畫(huà)質(zhì)。同一像素間距，BSI型的靈敏度可以比FIS型高30%。三星為在今后量產(chǎn)1.1μm間距產(chǎn)品等間距更小的元件，將增加BSI型的比例。該公司計(jì)劃把2010年首批量產(chǎn)的BSI型CMOS傳感器做成支持1460萬(wàn)像素和30幀/秒的元件。預(yù)計(jì)將配備于數(shù)碼相機(jī)、數(shù)碼攝像機(jī)及高端手機(jī)等設(shè)備上。

傳感器架構(gòu)可由兩分式、四分式或一個(gè)像素陣列組成。輸出可為并行模擬輸出，或一個(gè)10位數(shù)字輸出或數(shù)字串行LVDS輸出。每個(gè)輸出可高達(dá)每秒5,000萬(wàn)次的采樣速度，這樣就能實(shí)現(xiàn)每秒55億像素的吞吐量。迄今為止，該圖像傳感器是具有最高連續(xù)像素吞吐量的一款。圖像質(zhì)量至少達(dá)到10位精度，因此攝像頭數(shù)字化之后，數(shù)據(jù)吞吐量可為每秒55Gbit。這樣高速的應(yīng)用通常需要6個(gè)電晶體快照像素，且需要較高的靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍。圖像傳感器的靈敏度很大程度上取決于像素尺寸，而大的像素尺寸就需要大面積特定應(yīng)用的定制圖像傳感器。內(nèi)部多路復(fù)用技術(shù)可支持更高幀速率的隨機(jī)窗口。如果將窗口大小縮至較小的ROI（圈選目標(biāo)區(qū)域），那么最快速度器件的幀速率可達(dá)每秒170,000幀。大多數(shù)傳感器都采用0.25工藝。

目前，CMOS是高速成像所青睞的技術(shù)。在當(dāng)前市場(chǎng)中，我們可以發(fā)現(xiàn)高速圖像傳感器有三大發(fā)展趨勢(shì)，一是向極高速方向發(fā)展，二是向片上特性集成方向發(fā)展，三是向通用高速圖像傳感器方向發(fā)展。

分辨率和幀速率相結(jié)合，發(fā)揮著重要的作用。目前，我們可以推出1024×1024像素的圖像傳感器，工作速度達(dá)到每秒5,000個(gè)全幀。如果模數(shù)轉(zhuǎn)換為10位的話，那么這就是說(shuō)攝像頭上的總數(shù)據(jù)速率可達(dá)每秒55Gbit。為了實(shí)現(xiàn)傳感器上極高的數(shù)據(jù)速率和高圖像質(zhì)量，尤其是對(duì)這種高敏感度的應(yīng)用而言，我們不僅要設(shè)計(jì)出正確的電子線路，還要確保整個(gè)線路布局實(shí)現(xiàn)良好的平衡性。這就是說(shuō)，電源線路應(yīng)實(shí)現(xiàn)極佳的分布，而且布局中每個(gè)線路節(jié)點(diǎn)的所有光學(xué)和雜散光靈敏反應(yīng)都應(yīng)得到很好的控制。并需要采用低功耗模塊設(shè)計(jì)，以確保滿足整體功耗要求。

高速成像領(lǐng)域還有另一種趨勢(shì)，就是把高速ADC、時(shí)序發(fā)生器、LVDS發(fā)射器和校正算法的片上集成趨勢(shì)。這種圖像傳感器通常在速度和靈敏度方面不如上述圖像傳感器，但在易用性和系統(tǒng)集成功能方面頗有長(zhǎng)處。目前市場(chǎng)上新興的第三種圖像傳感器就是通用高速圖像傳感器。具有模擬輸出或不具有時(shí)序發(fā)生器功能的老式（簡(jiǎn)單式）通用圖像傳感器正在被速度更快、更復(fù)雜的圖像傳感器所取代。這種新型圖像傳感器使我們能在較短時(shí)間內(nèi)就設(shè)計(jì)出通用高速攝像頭。