CMOS即互補性金屬氧化物半導體,主要是利用矽和鍺兩種元素所做成的半導體,通過CMOS上帶負電和帶正電的晶體管來實現基本的功能。
這兩個互補效應所產生的電流即可被處理芯片記錄和解讀成影像。
在模擬攝像機以及標清網絡攝像機中,CCD的使用最為廣泛,長期以來都在市場上占有主導地位。
CCD的特點是靈敏度高,但響應速度較低,不適用於高清監控攝像機采用的高分辨率逐行掃描方式,因此進入高清監控時代以後,CMOS逐漸被人們所認識,高清監控攝像機普遍采用CMOS感光器件。
CMOS針對CCD最主要的優勢就是非常省電。
不像由二級管組成的CCD,CMOS電路幾乎沒有靜態電量消耗。
這就使得CMOS的耗電量只有普通CCD的1/3左右,CMOS重要問題是在處理快速變換的影像時,由於電流變換過於頻繁而過熱,暗電流抑制的好就問題不大,如果抑制的不好就十分容易出現噪點。
已經研發出720P與1080P專用的背照式CMOS器件,其靈敏度性能已經與CCD接近。
與表面照射型CMOS傳感器相比,背照式CMOS在靈敏度(S/N)上具有很大優勢,顯著提高低光照條件下的拍攝效果,因此在低照度環境下拍攝,能夠大幅降低噪點。
雖然以CMOS技術為基礎的百萬像素攝像機產品在低照度環境和信噪處理方面存在不足,但這並不會根本上影響它的應用前景。
而且相關國際大企業正在加大力度解決這兩個問題,相信在不久的將來,CMOS的效果會越來越接近CCD的效果,並且CMOS設備的價格會低於CCD設備。
安防行業使用CMOS多於CCD已經成為不爭的事實,盡管相同尺寸的CCD傳感器分辨率優於CMOS傳感器,但如果不考慮尺寸限制,CMOS在量率上的優勢可以有效克服大尺寸感光原件制造的困難,這樣CMOS在更高分辨率下將更有優勢。
另外,CMOS響應速度比CCD快,因此更適合高清監控的大數據量特點。
與CCD相比,CMOS具有體積小,耗電量不到CCD的1/10,售價也比CCD便宜1/3的優點。
與CCD產品相比,CMOS是標準工藝制程,可利用現有的半導體設備,不需額外的投資設備,且品質可隨著半導體技術的提升而進步。
同時,全球晶圓廠的CMOS生產線較多,日後量產時也有利於成本的降低。
另外,CMOS傳感器的最大優勢,是它具有高度系統整合的條件。
理論上,所有圖像傳感器所需的功能,例如垂直位移、水平位移暫存器、時序控制、CDS、ADC…等,都可放在集成在壹顆晶片上,甚至於所有的晶片包括後端晶片(Back-endChip)、快閃記憶體(FlashRAM)等也可整合成單晶片(SYSTEM-ON-CHIP),以達到降低整機生產成本的目的。
正因為此,投入研發、生產的廠商較多,美國有30多家,歐洲7家,日本約8家,韓國1家,臺灣有8家。
而居全球翹楚地位的廠商是Agilent(HP),其市場占有率51%、ST(VLSIVision)占16%、OmniVision占13%、現代占8%、Photobit約占5%,這五家合計市占率達93%。
根據In-Stat統計資料顯示,CMOS傳感器的全球銷售額到2004年可望突破18億美元,CMOS將以62%的年復合成長率快速成長,逐步侵占CCD器件的應用領域。
特別是在2013年快速發展的手機應用領域中,以CMOS圖像傳感器為主的攝相模塊將占領其80%以上的應用市場。
CMOS圖像傳感器屬於新興產品市場,其市場占有率變化不如成熟產業那般恒常不變,例如在1999年時,CMOS市場中,按照出貨比例排名依序為Agilent、OmniVision、STM和Hyundai,其市場占有率分別為24%、22%、14%和14%,其中STM是歐洲廠商,Hyundai是韓國廠商;但只經過壹年後的市場競爭,Agilent和OmniVision出貨排名順序仍然分居壹、二,且市場占有率分別提升到37.7%和30.8%,而STM落居第四,市場占有率大幅滑落至4.8%,至於Hyundai更是大幅衰退只剩2.1%的市場占有率,值得壹提的是Photobi在2000年度的大幅成長,全球市場占有率快速成長至13.7%,排名全球第三。
這三家廠商出貨量就占全球出貨量的82.2%。
從中可以分析,這個產業的廠商集中度相當密集,所以觀察上述三家廠商的動態和發展,可看出許產業和技術未來發展方向。
Agilent主要的產品為第二代的CIF(352*288)HDCS-1020和第二代的VGA(640*480)HDCS-2020,主要應用在數碼相機、行動電話、PDA、PCCamera等新興的資訊家電產品之中,此外Agilent在2000年另壹成功策略是和Logitech與Microsoft這兩家公司策略聯盟,打入了光學鼠標產品領域,但是這是非常低階的CMOS產品,而且不是為了捕捉影像,所以在做影像感測器的全球統計時並未將此數量壹並加入,但是此舉可看出Agilent以CMOS技術為基礎進軍光學元件的規劃意圖。
OmniVision它主要的產品包括︰CIF(352x288)、VGA(640x480)、SVGA(800x600)和SXGA(1280x1024)。
Omnivision開發的130萬像素等級的CMOS圖像傳感器正在被業界大量應用在數碼相機中。
業界壹般認為,百萬像素為使用CMOS和CCD的分水嶺,CMOS成功跨進這壹市場,足以說明CMOS技術發展對市場的滲透度,未來可能將取代CCD成為中低檔影像產品的不留應用。
Omnivision在2001年5月開發的CIF(352x288)等級的CMOS傳感器,其特色為低秏電,目標市場定位在移動電話上,其產品發展策略和各大研究調查機構不謀而合,在移動電話市場上,CMOS模組的攝相模塊已經成為移動通訊應用的最大量產品。
Photobit在2000年獲得較大成功。
2001年Photobit率先研發出PB-0330產品型號的CMOS圖像傳感器,此產品特色具備單壹晶片邏輯轉數位的變頻器,它是第二代1/4寸的VGA(640x480),同時也推出PB-0111產品型號的CMOS影像感測器,是第二代1/5寸的CIF(352x288)。
Photobit推出這兩種產品主要針對數碼相機和PCCamera的數位化產品,和OmniVisionCIF(352x288)定位在行動電話市場上有所區隔,其推出CIF(352x288)和VGA(640x480)這兩種不同解析程度的影像感測器,行銷範圍意圖含蓋低階和中高階市場。
2013年業界發展了CMOS圖像傳感器新技術--C3D。
C3D技術的最大特點就是像素反應的均壹性。
C3D技術重新定義了成像器的性能(即把系統的整體性能包括在內)並提高了CMOS圖像傳感器在均壹性和暗電流方面的標準性能。
2014年初,美國Foveon公司公開展示了其最新發展的FoveonX3技術,立即引起業界的高度關註。
FoveonX3是全球第壹款可以在壹個像素上捕捉全部色彩的圖像傳感器陣列。
傳統的光電耦合器件只能感應光線強度,不能感應色彩信息,需要通過濾色鏡來感應色彩信息,稱之為Bayer濾鏡。
而FoveonX3在壹個像素上通過不同的深度來感應色彩,最表面壹層感應藍色、第二層可以感應綠色,第三層感應紅色。
它是根據矽對不同波長光線的吸收效應來達到壹個像素感應全部色彩信息,已經有了使用這種技術的CMOS圖像傳感器,其應用產品是“SigmaSD9”數碼相機。
這項革新技術可以提供更加銳利的圖像,更好的色彩,比起以前的圖像傳感器,X3是第壹款通過內置矽光電傳感器來檢測色彩的。
FoveonX3的技術對於傳統半導體感光技術來說有很大的突破,也有顛覆傳統技術的效果,相信FoveonX3會有很好的前景。
在高分辨率像素產品方面,日前臺灣銳視科技已領先業界批量推出了210萬像素的CMOS圖像傳感器,而且已有美商與臺灣的光學鏡頭廠合作,將在第三季推出此款CMOS傳感器結合鏡頭的模組,CMOS應用已經開始在200萬像素數碼相機產品中應用。
CMOS線陣圖像傳感器DLIS-2K---世界上最快的單端口重新配置的線性圖像傳感器測量範圍:200nm~1100nm輸出信號:數字型DLIS-2K線陣圖像傳感器包括4行像素,每行有2081個光學像素和16黑像素。
其中3行為4x4micron方形像素,另壹行為4x32micron長方形像素。
通過運用CorrelatedMulti-Sampling(CMS)方法,其等效靈敏度可達160V/lux-s。
每壹行可任意控制曝光及輸出。
此外,背景采樣可使用常規CorrelatedDoubleSampling(CDS)值或設為用戶控制的環境光值。
傳感器由3線串口控制,集成了的專利技術highspeedDistributed8to11bitAnalogtoDigitalConverter(D/AD),XtremeIX和Activecolumnsensortechnologies來最大的實現應用功能。
拓展閱讀:2k的家族DLIS-可配置的線掃描CMOS圖像傳感器。
該DLIS-2K的傳感器都是使用大樓的先進光電二極管(APD)的像素的進程,並與潘那維申專利的成像像素的IP架構。
這些重新配置的線性圖像傳感器以低成本提供高性能,並結合高靈敏度,高速,多功能,以解決消費者,工業,汽車和科技市場中的許多應用。
據分析,從全球工業公司是世界圖像傳感器市場價值預計報告117億美元上升到2012年。
Overall,圖像傳感器已經擴張,如攝錄機,保安和電腦攝像頭,便攜式通信設備和消費電子應用,在工業和商業部門的領域,如生物識別技術,機器視覺,廣播,電影攝影機和藥品。
在汽車行業,有角速率增加,占用座位,巡航控制傳感器,車道偏離系統和後視相機的需求。
該DLIS-2K的成像儀是四線傳感器,具有11位A/D轉換,高動態範圍,以及相關的多采樣(CMS)的提高靈敏度。
該傳感器可用於光譜學,條形碼,觸摸屏,光學字符識別,機器視覺,測量和其他應用程序。
在這些專利技術的進步使產品在圖像采集與讀出,包括靈活性:環境光減法,過采樣,非破壞性讀取模式,不同的集成,自動閾值和壹個120MHz的像素讀出了前所未有的高解析度模式裝箱。
該DLIS傳感器周圍環境的結合到12位數字化和自動閾值光減法。
這提供壹個簡單的二進制輸出芯片,允許對條碼,觸摸屏或任何應用程序,需要找到壹個位置或壹個系統的許多部件的質心去除。
用戶還可以輸入模擬信號,即應用程序可能需要有數字化。
該操作模式可以混合或匹配,有四個可能的組合像素為許多不同應用的最佳解決方案,讓行。
“的目標是要解決在壹個高度競爭力的價格點,擴大條碼和壹個可編程的圖像傳感器觸摸屏市場。
塔的CMOS圖像傳感器技術和制造能力是世界壹流,的設計團隊之間和塔的工程師密切的互動有助於實現快速上馬生產,說:”傑弗裏Zarnowski,潘那維申影像公司首席技術官。
“很高興潘那維申的線性圖像傳感器的家庭,因為這些產品將極大地推動各類市場的無數的設備生產的能力。
通過結合的高級光電二極管(APD)的像素的進程,並與潘那維申公司的專利成像架構像素的IP,已經啟用的成像特征以前沒有線性成像實現的,博士說:”阿維斯特魯姆,副總裁兼總經理塔的專業業務部塔半導體。
利用塔的0.18微米技術使片上,位可選,模擬到數字轉換器,以及更高的數據傳輸速率比前產品。
塔的APD的過程中表現出改善和像素的IP為超過標準光電二極管靈敏度高電荷轉移特性。
該塔的技術和潘那維申影像與建築結合,使靈敏度4×32微米的像素超過100伏/Lux.Sec。