目前,想找一款没有内置摄像头的手机并不是件容易事,因为大多数手机都备有100万到500万像素的摄像头。最近几年,基于CMOS技术的图像传感器已成为手机的标准配置。例如,三星SCH-V960就内置了一个200万像素,支持数码变焦和视频录像功能的摄像头。
CMOS传感器特点
CMOS传感器基于CMOC集成电路技术,在分辨率为VGA到800万像素的成像器件中,比电荷耦合器件(CCD)传感器具有更高的成本和性能优势。
CMOS传感器中的每个像素都有各自的电荷到电压转换过程。传感器通常包含放大器、噪声校正和数字化电路,这样芯片输出的就是数字信号。这些额外的功能将增加设计的复杂性,并可能减少可用于光捕获的面积。由于每个像素都进行各自的转换,像素与像素之间的一致性比较差。但由于可以采用主流的CMOS制造工艺扩展性能,以及图像处理器和模数转换器(ADC)等更强的集成逻辑功能,因此比较容易实现一套完整的“片上相机”解决方案,非常适合手机应用。
目前,CMOS传感器的像素尺寸已经减小到每边小于3μm,设计工程师可以在与上一代VGA传感器相同的芯片面积上,设计出更小的VGA分辨率传感器或具有数百万像素的传感器。
CMOS传感器市场
据iSuppli公司称,移动电话作为面向图像传感器的单一最大市场已超过整个消费电子领域,成为电荷耦合器件(CCD)和CMOS图像传感器的主要应用。用于移动电话的传感器出货带来的收入将从2005年的17亿美元上升到2010年的59亿美元,复合年增长率(CAGR)为27.4%。在2005年,用于包括数码像机在内的所有其它非移动电话应用的图像传感器销量为1.99亿台;到2010年,这一差异更甚,有近12亿传感器用于手机,而用于其它应用的则不到3.5亿台。
目前,柯达(Eastman Kodak)、美光(Micron Technology)和OmniVision Technology公司是500万像素传感器的主要提供商,300万和低于300万像素分辨率的传感器市场中已有越来越多的竞争者。赛普拉斯(Cypress)、柯达、Magnachip、美光、OmniVision和东芝公司正在300像素传感器上展开激烈竞争。Avago Technologies、夏普和意法半导体公司也现身在200万和低于200万像素的传感器市场中。
CMOS图像传感器目前朝两个方向发展。一种方向是设计基本传感器,尽量减少片上逻辑。另一种方向是创建高度集成的“片上相机”解决方案,在方案中集成JPEG图像处理器、自动聚焦控制、闪光门控及其它图像与视频支持功能,这些技术能够帮助手机设计工程师更好地匹配其电话架构与成像子系统。
2006年初,研究机构Korea Electronics Technology Institute(KETI)公布了在人的肉眼难以识别的1lux以下黑暗中,也可以拍摄出高画质照片和动态影像的“纳米图像感应器商业化芯片single carrier modulation photo detector,SMPD)”。据称这种高灵敏度纳米图像传感器可在剧场、隧道等黑暗场所不借助闪光灯,拍摄出鲜明照片和动态影像。这种高灵敏度纳米图像传感器是与人眼的视网膜细胞具有相同功能的电子感应产品。点燃一支蜡烛,在相隔一公尺的地方照明度在1lux以下,而利用这项新技术,在这样的黑暗中也可以拍摄出鲜明的图像。该纳米图像传感器采用以纳米构造加工而成的半导体材料与超低程度的光进行反应,发出高灵敏度影像信号,工作具体原理是“利用量子作用、以一个光子制造出数千个电子,因而产生出鲜明的图像信号”。
手机用CMOS传感器
(1)柯达公司KAC-3100和KAC-5000
柯达公司的图像传感器KAC-3100是一个带有专为手机设计的310万像素的1/2.7吋光学格式CMOS传感器,KAC-5000有一个1/1.8吋光学格式和500像素的数码摄像头和数字视频。这两款传感器都采用了2.7×2.7μm像素尺寸和柯达的Pixelux技术,这项技术包括光电二极管、四晶体管像素和一个低光条件下高灵敏度共享像素架构的应用。通过光电二极管的返射背景,从而减少了黑像素。关联复式设计的传感器除掉了热量产生的噪音,这就提高了光谱灵敏度,同时具有四个晶体管共享像素(4T4S)架构,可以组合起来显示更大的像素,可以在光线不太好的情况下也能捕获图像的细节部分。然而,该设计对减小了图像的分辨率。
(2)美光科技MT9D111片上系统传感器
美光科技(Micron Technology)的200万像素片上系统传感器MT9D111在1600×1200满分辨率下15帧/秒(fps),在800×600分辨率下为30帧/秒,集成的微控制器提高了调节色彩的能力,增强了图像处理的功能,集成自动对焦,JPEG编码节省了系统空间。
(3)OmniVision公司OV3630传感器
OmniVision的OV3630传感器采用被OmniVision公司称为Omnipixel12的专有像素结构,可以消除固定模式噪声,并能显著减少拖尾效应和过度曝光现像。PS1320则集成了一个片上图像信号处理器,能让用户对各种窗口和帧速率进行编程、处理视频预览模式并执行黑色补偿。
(4)Pixelplus公司PO1200N
Pixelplus公司推出的PO1200N 200万像素图像传感器采用了3.3×3.3μm像素尺寸和1/2.7吋1600×1200有效像素,包括色彩过滤器和镜头。它可以输出在QXGA时最大帧速率高达12fps,SVGA时达到30fps。板载与众不同的特征是四道驱动,控制快门/挡板、虹膜,并有自动聚焦功能。
由于采用最优算法,消除了固定格式的噪声,去除了拖尾效应,并大大减少了闪烁。板载信号处理包括:Gamma校正,缺陷校正,图像校正、低通滤波,瑕疵校正,一个低通滤波器、色彩校正和锐化,白平衡、暴光控制和背光代偿。
(5)安华高ADCC-4050图像传感器
安华高科技(Avago Technologies)2006年5月推出一款1/4吋光学格式、200万像素的CMOS图像传感器ADCC-4050。该传感器可使超薄型摄像手机具有自动变焦功能,每秒撷取高达30帧的高分辨率视频图像(800×600像素),同时可以输出与数码相机相同画质的图像。ADCC-4050采用了安华高科技的增强型(EP, enhanced-performance)像素架构和第八代图像信号传输处理技术,改善了图像输出延迟的现像。
据称,增强型(EP)像素架构可以降低暗电流和噪声,并且消除镜头阴影的影响,可与CCD传感器相抗衡,在弱光下实现突破性的CMOS传感器的性能。它的3D像素e-field锐化度提升功能可使每个像素对光的敏感度都非常高。ADCC-4050通过功能强大的8×8像素群组来提高灵敏度,是少数能够放入目前业内最小且最薄摄像模块(8mm×8mm×5mm)的200万像素传感器之一。这款传感器内置的图像处理和JPEG压缩功能可以免除占用额外空间并且耗电的外加芯片,同时还能降低系统处理的负担、简化设计复杂度、加快产品投入市场的周期。
ADCC-4050传感器在UXGA分辨率为1600×1200像素时,每秒可撷取15帧图像;而在800×600像素的SVGA模式下每秒则可撷取30帧图像。这款图像传感器具有多项与数码相机和摄像机相同的图像处理功能,包括可以实现更好画质的第八代可调节压缩功能的JPEG输出、自动产生缩略图和更快的重新加载速度以避免丢失画面等。同时,它还具有快速自动对焦、双闪光灯支持、快门滞后修正以及采用第二代仿真照明的先进的自动照明探测功能。此外,这款芯片扩展了的新动态范围体现了卓越的对比能力;而其创新的专有曝光控制技术则可以在不增加噪声线性度或弱化色彩的前提下,利用调整相片亮度来解决目前相机共同面对的难题。