市場分析機構(gòu)TSR 指出,，2009 年市場銷售的采用互補金屬氧化物半導(dǎo)體 (CMOS) 圖像傳感器的數(shù)碼相機 (DSC) 不到 400 萬部,，僅占總銷售額的3% (注1)。其余的97%都是采用電荷耦合器件 (CCD) 圖像傳感器,，因為后者這類解決方案具有更高的填充因子和量子效率 (QE),，更低的串?dāng)_和暗電流，一直以來都提供了最好的靜止圖像性能,。對相機設(shè)計人員而言,，傳統(tǒng)上CCD圖像傳感器還能夠幫助設(shè)計人員提高分辨率，同時繼續(xù)提升整體圖像質(zhì)量,。到目前為止,，CMOS 圖像傳感器技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)是：為了獲得DSC市場相機設(shè)計人員的青睞，必須消除與CCD圖像傳感器在這些關(guān)鍵性能指標方面的差距,。
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,，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DSC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?、質(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Aptina 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, 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、更大填充因數(shù),、更高QE,，更少的滾動快門雜音，更低的暗流和噪聲,。事實上,，在比較一款A(yù)ptina 14MP CMOS 傳感器和同等14MP CCD傳感器的靈敏度、顏色串?dāng)_和SNR重要參數(shù)時,，CMOS圖像傳感器脫穎而出,，從而推動CMOS傳感器在DSC市場領(lǐng)域成為吸引力日益增強的CCD傳感器替代產(chǎn)品。