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CMOS摄像机的发展及应用

  CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)是互补式金属氧化物半导体的英文缩写,它将NMOS和PMOS二个相反极性的MOS半导体串起来,形成了集成电路中广泛使用的一个基本单元。例如计算机中用量最大的内存——动态存储器,就是用CMOS工艺制造的。

    CMOS的摄像机并不比CCD摄像出现的时间晚多少,CCD在六十年代末,而CMOS在七十年代初相继开发出来,后来之所以CCD占了统治地位,是因为在当时的工艺制造技术条件下,CMOS的图像质量太差了。直至1990年,新工艺的发展,使开发人员再一次对CMOS产生了兴趣,主要是看到了CMOS的低功耗、高集成(整个摄像机集成在一片晶体内)、低制造成本(基于不需重新建立新的生产线,可以在已有的主流的逻辑和存储器CMOS流水线中进行)。经过大量的投入和努力,CMOS摄像机在近几年已获得了极大的成功,已形成了对CCD的强大挑战。形成了CCD和CMOS二个激烈竞争的发展方向和阵营。

    在过去,CMOS图像传感器给人的印象是低端产品,例如商务用传真机、复印机、扫描仪,到今日,以娱乐为主的摄像机、手机拍摄组件,直至大紫大红的网上摄像机也多为CMOS传感器。同时,CMOS摄像机在图像质量上已取得长足的进步,即使在对图像质量要求较高的投影仪上也获得了使用。

    无论是CMOS还是CCD,它们都是用光敏像元阵列将入射的光图像转换成像元内的电荷,所不同的是将这些像元中的电荷取出,并转换成电压的方式和途径不同。CCD是用电荷量来载荷图像信息的,而CMOS是用电压量来载荷图像信息的。

    CMOS和CCD的工作过程如下图所示,从图(a)可以看出,CCD像元将光转换为电荷后,用电荷耦合的方法,将电荷逐点、逐行地用电荷移位寄存器移出,直至电荷/电压转换器,图像信息用电荷的形式在芯片内移动输出;而CMOS则以完全不同的方式将图像信息送出像元阵列,从图(b)可以看出,每一个像元光敏单元都有一个电荷/电压转换单元与之相伴,所以像元电荷马上转换成为电压,再通过与之对应的矩阵开关,将电压送出阵列,所以CMOS的图像信息是以电压的形式传送输出的。由于这种完全不同的结构,为它们带来了各自的长处和短处。

 

CCD和CMOS工作过程示意图

 

    CMOS摄像机有超强的集成度、低功耗和小尺寸的优势;但在图像质量,特别在低照度下和灵活性方面就要逊色多了。所以CMOS适合于批量大、有空间和重量限制,而图像质量要求不是太高的领域,例如保安、生物测量仪等领域使用,包括机器视觉系统中对图像质量要求不严的场合,例如数字或文学识别、易区分的缺陷检测、简单物体几何分类、简单场景自动导航等等。