市場(chǎng)分析機(jī)構(gòu)TSR 指出，2009 年市場(chǎng)銷售的采用互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體 (CMOS) 圖像傳感器的數(shù)碼相機(jī) (DSC) 不到 400 萬(wàn)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?yàn)楹笳哌@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(lái)都提供了最好的靜止圖像性能。對(duì)相機(jī)設(shè)計(jì)人員而言，傳統(tǒng)上CCD圖像傳感器還能夠幫助設(shè)計(jì)人員提高分辨率，同時(shí)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(chǎng)相機(jī)設(shè)計(jì)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(biāo)方面的差距。
最新一代CMOS 圖像傳感器利用先進(jìn)的像素技術(shù)，其性能已達(dá)到甚至超越了 CCD圖像傳感器。它們還解決了圖像質(zhì)量問(wèn)題，并具備CMOS 技術(shù)所獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)，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(jī)所要求的。事實(shí)上，在高端數(shù)碼單反相機(jī) (DSLR) 市場(chǎng)和新興的無(wú)反光鏡數(shù)碼相機(jī)市場(chǎng)中，CMOS 圖像傳感器技術(shù)已占有 90%以上的市場(chǎng)份額，足以證明 CMOS 圖像傳感器能夠提供這些消費(fèi)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(jìng)爭(zhēng)極為激烈的緊湊型 DSC 市場(chǎng)，單純?cè)谔岣叻直媛史矫嬉惠^高下正變得越來(lái)越困難。此外，相機(jī)制造廠商和 OEM廠商都在尋找新的方法，以期實(shí)現(xiàn)自己產(chǎn)品的差異化。正是這種創(chuàng)新推動(dòng)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(shí)上，根據(jù)TSR估計(jì)，2010 年使用CMOS 的DSC數(shù)量增加了 300% 以上，達(dá)到1200多萬(wàn)部，而預(yù)計(jì)2011年CMOS圖像傳感器的采用比例將達(dá)到 25%，亦即采用CMOS的相機(jī)數(shù)量超過(guò) 3500萬(wàn)部。市場(chǎng)分析機(jī)構(gòu) iSuppli 最近預(yù)計(jì)，到2013 年，CMOS 圖像傳感器在DSC市場(chǎng)中的份額將超過(guò)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(dòng)快門(mén)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(dòng) 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(chǎng)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(jìn)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(guò)解決導(dǎo)光管和光電二極管的物理結(jié)構(gòu)問(wèn)題，增強(qiáng)和提升了像素能力。此外，這些先進(jìn)的像素技術(shù)還能夠結(jié)合數(shù)碼相機(jī)捕捉能力與先進(jìn)的高性能HD視頻能力，從而實(shí)現(xiàn)新的混合型DSC相機(jī)。
在理想情況下，目前 DSC 相機(jī)中所采用的圖像傳感器的視頻能力和幀速分別高達(dá)1080p與60 幀/秒 (fps)。雖然今天緊湊型 DSC的標(biāo)準(zhǔn)視頻幀速只有 30 fps，但60 fps 幀速可讓相機(jī)有足夠能力以最小的滾動(dòng)快門(mén)偽影捕捉到場(chǎng)景內(nèi)的快速移動(dòng)目標(biāo)。
市場(chǎng)上某些新CMOS 圖像傳感器的輸出速率能夠達(dá)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(guò)500MP/s的輸出速率。由于讀出速度更快，CMOS 傳感器能夠同時(shí)捕捉高分辨率靜止圖像和高質(zhì)量全高清視頻，且設(shè)計(jì)人員無(wú)需對(duì)二者的性能做折衷讓步。這種同時(shí)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(jī)開(kāi)辟了新的市場(chǎng)空間。
更高的讀出速度還能實(shí)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(duì)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)斡案俚摹①|(zhì)量更高的 HD 視頻；而同時(shí)通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理器 (DSP) 提供像素區(qū)域邊距，實(shí)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(dòng)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(kāi)發(fā)的一種開(kāi)放存取、可擴(kuò)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(duì) DSP 的最大帶寬對(duì)傳感器的輸出進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)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(wàn)像素(MP)、1.4微米、1/2.3英寸MT9F002 CMOS圖像傳感器，集成進(jìn)一款領(lǐng)先品牌DSC相機(jī)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(jī)做比較（圖1），涵蓋關(guān)鍵的性能標(biāo)準(zhǔn)：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(jiàn)光子為電子的效率百分?jǐn)?shù)，這是主要的靈敏度指標(biāo)。圖1是CMOS和CCD相機(jī)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(zhǎng)范圍。
然而，在比較兩種圖像傳感器的光譜響應(yīng)時(shí)，峰值QE僅僅說(shuō)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(cè)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(shì)。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(gè)傳感器進(jìn)行原始捕捉，而不采用噪聲消除，并使用經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)的色彩精確的顏色校正矩陣 (color correction matrix, CCM)，用于場(chǎng)景中使用的D65光照。亮度SNR是在目標(biāo)場(chǎng)景所用的Macbeth圖表的18% 中等色調(diào)灰色補(bǔ)丁上測(cè)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(shí)間。
圖2所示為兩種傳感器的ISO100性能比較，來(lái)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(jìn)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(xì)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(bǔ)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(jìn)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(guò)去的相機(jī)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(jī)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(dòng)快門(mén)雜音，更低的暗流和噪聲。事實(shí)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(shí)，CMOS圖像傳感器脫穎而出，從而推動(dòng)CMOS傳感器在DSC市場(chǎng)領(lǐng)域成為吸引力日益增強(qiáng)的CCD傳感器替代產(chǎn)品。