程开富
重庆光电技术研究所
1.引言
图像传感器是传感技术中的一个重要分支，是PC机多媒体世界今后不可缺少的外设，也是保安监控产业中的核心器件。在知识经济和信息社会已经到来的今天，它在我们的社会生活中会有越来越多的应用。
固体图像传感器分为电荷耦合器件(CCD)型、MOS型和CMOS型三大类，早期由于受集成电路设计和工艺水平的限制，MOS型摄像器件无法克服其灵敏度低和抗干扰能力小的缺点,因而得不到广泛应用，随着电视技术的发展和集成电路制造工艺的迅速提高，当初MOS型摄像器件的缺点得到了一定程度的克服。到了八十年代末，英国爱丁堡大学成功地试制出了世界第一块单片CMOS型图像传感器件，从而为实用化开通了道路。
CMOS型摄像器件是将图像传感部分和控制电路高度集成在同一芯片里，其体积不仅明显减小，而且功耗也大大降低。低廉的价格使其在通讯及其它应用领域具有巨大的潜力，从而使CMOS图像传感器逐步成为研究和开发的热点。
CMOS图像传感器和CCD摄像器件在20年前几乎是同时起步的。由于CCD器件有光照灵敏度高、噪声低、像素小等优点，因而在过去的15年里它一直主宰着图像传感器市场。与之相反，CMOS图像传感器过去存在着像素大、信噪比小、分辨率低、暗电流较大(这是由亚微米方法所需要的高掺硅引起的；较大的暗电流导致较大的图像噪声)等缺点，因此一直无法和CCD技术抗衡。但是随着大规模集成电路技术的不断发展，过去CMOS图像传感器制造工艺中不易解决的技术问题，现在都能找到相应的解决办法，从而大大改善了CMOS图像传感器的图像质量。目前CMOS单元面积的像素数已与CCD单元面积的像素相当，从而使CMOS图像传感器也可以达到较高分辨率。如果能将CMOS黑白与彩色图像传感器的信噪比再提高10dB，光照灵敏度再提高4～5倍，那么CMOS图像传感器取代CCD器件就指日可待了。如果再将CMOS图像传感器所具有的体积小、重量轻、功耗低、高可靠、高集成、低成本、宽动态范围、抗辐射和几乎没有拖影等这些过去没有得到充分发挥的优点充分发挥，那么CMOS图像传感器将把我们带入一个崭新的图像技术时代。由此可见，CMOS图像传感器的上述优点将会在许多领域取代CCD所占领的市场，并开拓出更广阔的市场，从而将大大扩展视频图像技术的应用范围。
虽然目前CMOS图像传感器的图像质量仍稍逊于CCD器件，但是，估计一年以后两者的图像质量就难分高下，届时凡是CCD图像传感器的应用领域均可使用CMOS器件。CCD器件由于功耗高、体积大等原因一直难以进入的应用范围，CMOS摄像器件将逐一占领。这样，CMOS图像传感器在安全监控、可视门铃(如保安监视场合的隐形摄像机)、嵌入式移动电话、笔记本电脑和PDA数字摄像机、汽车后视、消费类电子产品、玩具、P电视会议、可视电话、视频电子邮件、闭路电视系统、医疗仪器、计算机输入、数字静止摄像机、超市防盗、电梯监控、PC多媒体等需要高质量、低成本黑白和彩色图像等应用场合将扮演一个非常重要的角色。
2.CMOS图像传感器的市场展望
据美国Omni Vision公司预测，全球影像产品的市场将从1998年的8.8亿美元上升到2002年的16亿美元，整整要翻一番。另外，据市场调研公司Cahners In－stat Group预测，到2002年，基于CMOS图像传感器的影像产品将达到50％以上，也就是说，到时CMOS图像传感器将取代CCD而成为市场的主流。Omni Vision预测的美国国内以及全球的CMOS摄像机市场发展情况如表1所列。可见，CMOS摄像机的市场前景非常广阔。
今后几年，全球CMOS图像传感器销售量将迅速增加，并将在许多数字图像应用领域向传统的CCD发起冲击。预计到2002年，销售量将达到6000万片。这是因为CMOS图像传感器件具有两大优点：一是价格比CCD器件低15～25％；二是其芯片的结构可方便地与其它硅基元器件集成，从而可有效地降低整个系统的成本。
尽管过去CMOS图像传感器的图像质量比CCD差且分辨率低，然而经过迅速改进，已不断逼近CCD的技术水平，目前这种传感器件已广泛应用于对分辨率要求较低的数字相机、电子玩具、电视会议和保安系统的摄像结构中。
日本Nintendo有限公司最近已推出采用CMOS图像传感器的低分辨率数字相机，上市头两个月，销售量就达100万台。三菱公司、摩托罗拉、惠普、东芝和Intel公司不久也将上市该类产品。
据统计，全球CMOS图像传感器年销售额1997年为5400万美元，1998年达2.18亿美元，预计到2002年，该产品的销售额将增大到48.87亿美元。1997年英国VLSI视觉公司每月可销售10万块CMOS图像传感器芯片。该公司是世界上生产CMOS图像传感器芯片和CMOS摄像机的最大厂商之一。表2列出了全球CMOS图像传感器销售量和销售额的预测情况。
美国Omni Vision公司推出的OV系列CMOS图像传感器以1000片为单位起售，价格如下：黑白模拟输出OV7000系列(628×528CCIR/508×Δ92EIA)的价格为每片17美元；黑白数字输出OV7100系列(640×480CCIR)为每片17美元，彩色模拟输出OV7500系列(628×582PAL/508×492VTSC)为每片19美元，彩色数字输出OV7600系列(640×480CCIR)为每片19美元。
东芝公司在计划2001年出售的5500万块成像芯片中有一半是最新的CMOS图像传感器。
现在，北美、日本、欧洲以及其它地区生产的黑白和彩色图像传感器已用于PC摄像机中，表3给出了利用 CMOS图像传感器制造的PC摄像机的市场预测。
3.CMOS图像器件的性能及应用
3.1 CMOS图像传感器件的性能
美国Omni Vision公司推出的640×480分辨率的单片实时模拟输出黑白/彩色CMOS图像传感器和单片实时数字输出黑白/彩色CMOS图像传器的感光矩阵采用CMOS工艺制成，可以同其它控制和图像处理电路集成在一起，具有集成度高、成本低的优点，采用单5V供电，这种CMOS图像传感器用电更省，性能更稳定。表4给出了OV系列CMOS图像传感器的主要性能参考。
3.2 新型单片CMOS摄像头的应用
美国Omni Vision公司在1996～1997年相继推出CMOS黑白、彩色模拟及数字输出新型单片CMOS摄像器件。该器件具有功耗低、价格低、重量轻、抗震好、寿命长、可靠性高、工作电压低、抗电磁干扰、体积小巧、隐蔽性强等优点。机芯直径仅有五分硬币大小，这为系统安装提供了极大方便。此外，最突出的特点是对人眼看不见的红外线发光源特别敏感。一支烟头可以像一个白色发光的火炬一样出现在显示屏上，白天和黑夜都没有什么区别，尤其适宜防盗监控。若利用红外线光源，即使在伸手不见五指的黑夜也能让监视目标暴露无遗。它可方便地安装在商店模特的眼睛中、花卉中及门墙、天花板上，也可广泛应用于超级市场、金融银行、交通、安全、玩具、数码相机、多媒体电脑及医疗设备中。由于上述优越的性能和特点，使其在各种应用领域中存在着巨大潜力，比CCD摄像头更有独到之处。表5给出了CMOS摄像头与CCD摄像头的性能比较，表6是CMOS摄像头模块的性能指标。可以想象，在不远的将来，CMOS摄像头的应用还会进一步发展到CCD不能涉及的一些领域，CMOS摄像头代替CCD摄像头势在必行。CMOS摄像头除有黑白、彩色制式外，其输出方式还可分为模拟和数字二大类。在采用新型USB接口器件时，可以很方便地将摄取的图像存入到计算机中，并在单片机的控制下构成机器视觉系统，这样的系统可以用于指纹识别、条码识别、文字识别、印章识别以及产品质量控制和真伪识别等。
在摄像机的应用领域，广播CMOS摄像机的应用也将会与普通摄录机平分秋色，而CMOS摄录一体化摄录机具有尺寸小、重量轻等优点，因此各种黑白、彩色小型便携式CMOS摄像机将会占领家用摄像机的首位市场。这种新型摄像器件将会成为人们离不开的电眼睛，PC机不再是简单的电脑了，而是带有五官的智能电脑。嘴椑龋鷹麦克风，眼椛阆裢罚菞气味传感器等。有一天你可坐在舒适的办公室里遥控着自动化生产线，监测生产的每个环节。保龄球馆、电影院、健身房再也不用繁琐的门票，通过电眼睛，手掌识别即可放行无阻。护士可以通过屏幕监护病人，警察不到现场就可以监视违法行为，超级市场的老板只要在门口收钱就行了，而市场内的一切行为都可以通过电眼睛纵观全局。那时您会为拥有一部电眼睛而自豪，家家户户的门都可不用钥匙，只要你的指纹和形像相符就可自动开门。
4.国内CMOS图像传感器的发展
近几年来，CMOS图像传感器的研制和开发已进入热门时期。在国际上，CMOS图像传感器已由研制阶段进入批量生产阶段，其器件和整机已进入市场。为了缩短与国际上发达国家在这一领域的差距，国内的西安交通大学开元微电子科技有限公司、北京安泰电子厂，深圳雅创宝星元器件有限公司、北京千帆之家科技集团公司、北京泰恩特电子科技公司、北京奥威电子技术有限公司、文哗科技香港有限公司、上海复旦大学等企业和部分大学都开展了CMOS图像传感器的研制和开发工作，并且取得了较大的进展。其中西安交通大学开元微电子科技有限公司已研制出369×287、768×574、640×480和512×512像元的CMOS图像传感器，并且利用这些器件组装了M－X型系列CMOS微型摄像机，其主要技术参数如表7所示。上海复旦大学与美国斯坦福大学研制出了64×64像元CMOS图像传感器。北京千帆之家科技集团公司也用Omni Vision公司的CMOS图像传感器开发了不少产品，而且还在继续开发新产品。已开发成功的产品有：(1)超微型CMOS黑白摄像机(尺寸16×16×12mm)；(2)微型CMOS彩色摄像机；(3)无线发射婴儿活动监视器；(4)汽车尾视装置；(5)汽车货柜监视器。正在开发的产品有：(1)超微型彩色CMOS摄像机(尺寸为22×22×14mm)；(2)汽车防盗图像发射和接收装置；(3)水下摄像机(带无线发射)。另外，台湾材料研究实验室生产的黑白、彩色CMOS图像传感器已用于PC摄像机、夜视会议、可视电话、玩具、数字静止摄像机和设备图像装置中。该公司已开发出新的基于面阵图像传感器的彩色CMOS数字摄像机模块。此模块可用于数字式图像系统中。另外国内目前有许多厂家和科研单位在CMOS图像传感器的应用方面作了大量工作，但目前中国还没有低于0.5μm线宽的大规模集成电路生产基地，像素数在30万以上的CMOS图像传感器芯片必须进口。但中国拥有足够优秀的微电子、微机械结构、光学设计、机电加工人才，因此对进口的CMOS图像传感器芯片有足够的消化能力。可以开发以CMOS图像传感器芯片为核心元件的各种应用产品，寻觅CCD技术难以达到的新的应用领域。发挥中国的人才资源和低加工成本的优势，使中国逐步发展成CMOS摄像机生产基地与各种视频产品的集散地。目前，中国CCD摄像器件的市场，基本上被韩国、中国台湾、日本、欧美所占领，国内大多数企业做着散件组装、贴片、来料加工业务。在新技术CMOS摄像器件热潮尚未到来以前，所有开发CMOS摄像器件应用产品的人都站在同一起跑线上，公平竞争，所以，必然会引起有识之士的注意。
中国有4千万个中产阶层家庭，利用CMOS图像传感器可以设计出可视电话、PC摄像机、PC机电脑眼、PDA及其手持设备，电视机顶盒、可视门铃、汽车尾视、汽车防盗、机器视觉、安防监控以及其它数不清的消费水平在1000元人民币以下的家用电子产品。再考虑到工矿企业、政府机构、金融、商业部门以及各企业来料加工和出口的需要，因此市场空间极大。以可视门铃为例，目前仅在南方上市，北方还未普及。再考虑到上百万台湾家庭电脑都需要装上CMOS电脑眼，市场容量更是惊人。因此当今要做的是，如何促成这一消费市场的成熟。
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