未來CMOS圖像傳感器:畫質提升成為研發課題

2021-02-15 攝像頭模組論壇

隨著中國攝像市場的發展，圖像傳感器晶片和處理器晶片的市場份額將分別從2013年的28%增至2015年的72%以及2012年的70%增至2015年的88%。縱觀整個市場，行內預測，未來五年CMOS感光晶片會競爭會更加激烈。更為重要的是，越來越多的業界人士開始意識到，高品質的視頻成像效果是一個系統化的工程，圖像質量已成為市場關注的焦點。

畫面質量成為關注CMOS圖像傳感掀開發熱潮

「高清代表著巨大的數據量和更快的處理速度，無論圖像採集單元、圖像處理單元，還是傳輸、顯示和儲存單元等都必須具備高速的處理能力，當元器件高速化之後，就很容易受外界噪聲的幹擾，如ESD、Surge等瞬時噪聲。」晶焱科技股份有限公司創辦人/設計研發部副總經理姜信欽從電子元器件的角度分析道，尤其是針對前端攝像機的兩大關鍵部件——成像晶片和圖像處理，深圳比亞迪微電子有限公司副總經理兼總工程師馮衛更為直接地指出，高清監控任務要靠整個系統來完成，很多情況下難以把圖像處理和成像晶片的問題分開。

對於圖像傳感器晶片廠商而言，需要藉助感光技術的進步，通過工藝、感光單元、電路設計、封裝等方面的提升，提高圖像清晰度和低光成像效果。而作為後端圖像處理方案，則需要有充足的適應能力，要求晶片廠商加快技術創新，開發出工作頻率更快、晶片功耗更低、性價比更佳的產品方案。

CMOS傳感技術效果凸顯節省廠家研發投入

2012年CMOS圖像傳感器受到市場青睞重要原因在於過去大大低於CCD的靈敏度問題由於使用了新的傳感器技術，如背照式CMOS，逐步得到解決。和CCD傳感器相比，CMOS傳感器具有更好的量產性，而且容易實現包含其他邏輯電路在內的SoC（SystemonChip）產品，而這在CCD晶片中卻很難實現。尤其是CMOS傳感器不像CCD晶片那樣需要特殊的製造工藝，因此可直接使用面向DRAM等大批量產品的生產設備。

這樣一來，CMOS圖像傳感器就有可能形成完全不同於CCD圖像傳感器的成本結構，同時也為CMOS傳感器高度集成化開闢了新的發展方向。早期市場上就曾經推出過CMOS傳感器自帶ISP處理器，內含2A（AE、AWB）控制算法。而發展至今，這樣的產品極受市場的歡迎和青睞。

眾多不具備ISP圖像處理器/ISP算法研發能力的小企業可以使用自帶2A處理的CMOS傳感器來製造高清攝像頭。傳統的高清攝像機架構中，從前端到後端一般分為幾個組成部分：圖像傳感器SENSOR、ISP圖像傳感器，壓縮/信號轉換處理；而如果使用集成ISP的CMOS傳感器，中間部分使用FPGA晶片實現的ISP單元就可以省去，這樣既有效的降低設備整體BOM成本，又繞過了ISP算法的研發門檻。目前市場上價格較為低廉的720P高清網絡攝像機大多都使用此類方案。

集成Real幀級寬動態的超寬動態高清背照式CMOS傳感器，與之前的集成2A功能的CMOSSENSOR不同，這款產品使用了傳感器廠家拿手的幀級寬動態技術。我們知道，對於高清攝像機的圖像處理，尤其是ISP部分依靠的不僅僅是研發實力，也依靠對於圖像處理調試的豐富經驗積累。那麼一款自帶幀級寬動態功能的背照式CMOS傳感器產品，不僅將傳感器的動態範圍提升至120dB以上，也為攝像產品生產廠家節省了研發投入。

未來趨勢明顯CCD圖像傳感器市場地位迅速崛起

近兩年，無論是在監控市場，還是手機，MID等移動產品市場，一個共同的發展變化就是：CMOS圖像傳感技術的迅速崛起，使得攝像頭從過去CCD傳感技術一統天下的格局，快速轉向CMOS圖像傳感技術。一批廠商紛紛在市場上掀起了一股以CMOS圖像傳感器為核心的監控攝像機開發熱潮。

與CCD圖像傳感器相比，CMOS在低光條件下的成像效果以及高動態範圍的性能表現，一直是市場人士詬病的主要問題。對此，Aptina公司汽車、工業和醫療（AIM）事業部高級市場總監AlvinWong介紹道，傳感器的低光照性能對於準確地呈現圖像和保持圖像的真實色彩是至關重要的。然而，低光照性能的一個關鍵因素是像素尺寸，因為它與靈敏度直接相關，即使像素技術在不斷進步，較大像素尺寸具有較高靈敏度的準則仍然適用，但對於給定的解析度，較大的像素尺寸由於需要使用成本較高的透鏡，這通常也意味著較高的系統成本。

而在另一方面，更高的動態性能是指圖像傳感器必需具備同時準確捕獲極亮和低光照場景的能力，即保證明亮和黑暗場景能夠同時適當曝光。但高動態功能也增加了系統的成本和複雜性，一般都需要附加的傳感器存儲器和更複雜的圖像處理程序。因此，目前各家圖像傳感器供應商面對的同一個挑戰是——既要滿足低光照和高動態性能要求，又不能有太高的總體系統成本。

另一個比較明顯的趨勢是，在CMOS感光晶片內部集成ISP，以進一步彌補在感光度和信噪比上不足的SoC晶片，是廠商們目前主推的一種解決方案。與後端分離式的ISP或DSP方案相比，馮衛指出這兩大技術方案各有優缺點。

後端處理的SP或DSP方案能夠在圖像處理上獲得更多的緩存，因而可以採用更複雜的圖像處理算法，處理時間和空間更宏觀，圖像效果也更佳；當然，這樣的方案往往集成度稍差，成本較高，需要感光晶片、DSP工程師一起配合進行開發，開發時間稍長，應用成本、生產損失也相對偏高。

而對於COMS內集成ISP的SoC晶片，他認為，由於要考慮到散熱及晶片面積等問題，圖像處理算法方面的資源有限，但其優勢是可以提供高度集成的單晶片方案，方便工程開發、備料，並縮短產品的上市周期等，可為客戶帶來高性價比的技術方案，因此，廠商可以根據實際的應用需求來選擇不同的技術開發路線。

相關閱讀：圖像傳感器兩種晶片的優劣勢發展

圖像傳感器主要有CCD和CMOS兩種晶片，CMOS晶片產品已經被大量應用至各式各樣的產品。

早期，我們通常認為圖像畫質優秀的設備都採用CCD傳感器，而低成本產品則使用CMOS傳感器。但是新的CMOS晶片技術已經克服了早期CMOS傳感器的技術弱點，傳感器的設計上相比老產品提升了低照性能、曝光模式等。拿目前流行的背照式CMOS傳感器來說，在傳統的CMOS圖像傳感器中，感光二極體位於電路電晶體後方，光線會通過微透鏡和光電二極體之間的電路和電晶體，那麼進光量就會因遮擋而受到影響。

背照式CMOS傳感器在圖像傳感器原件內部的結構上做了優化，它將感光層的原件調轉方向，讓光線從圖像傳感器比傳統CMOS傳感器在感光靈敏度上有質的飛躍，在低照度環境下，採用背照式CMOS傳感器的高清攝像機在聚焦能力、圖像畫質表現、圖像噪點控制等方面有了極大的性能提升。

而我們常見的CCD傳感器攝像機只能夠720p@25fps，支持1080P格式的CCD傳感器造價高昂。背照式CMOS傳感器像素可以再高些。雖說無論是背照CMOS或是CCD，都可以提高有效像素。但是背照式CMOS的構造決定了傳感器面積不變的情況下，可以將有效像素進一步提高，畫質也能夠保持得比較好。相比之下CCD盲目提高像素的話，畫質就會很差，而且隨著像素提高，晶片尺寸也在變大造成成本幾何倍數上升。



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