CMOS摄像机分析介绍

孙建胜

（作者单位：绍兴广播电视总台）



CMOS摄像机分析介绍

孙建胜

（作者单位：绍兴广播电视总台）

摘 要：本文就摄像机的CMOS与CCD传感器二者差距进行了分析，对CMOS传感器技术的问题优势进行了剖析，并对其未来发展进行了展望。

关键词：CMOS摄像机、发展

CMOS和CCD是目前摄像机在用的主要两种图像传感器。CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor），即互补金属氧化物半导体；CCD（Charge-coupled Device），即电荷耦合元件。两者的工作原理从本质上是相同的，都是利用半导体感光特性将图像光电转换为电子信号。区别是目前主流的CMOS的传感器每个感光点都需要有一个放大器及A/D转换电路，从CMOS芯片读出已经是数字信号了。而CCD，不管是IT CCD、FIT CCD或是FT CCD，只是电荷转移方式的不同，都是电荷转移到传感器底端然后由传感器边缘的放大器进行放大输出，输出的是模拟信号。

1 CMOS与CCD传感器二者差异分析

由于CMOS和CCD这两种传感器之间的结构的差异，使这两者具体的特性有着各自不同的特点，其实真正背后起着决定性作用的是器件制作工艺的不同。由于CMOS采用一般半导体电路最常用的MOS工艺，可以将规模做得很大，同时也是这MOS工艺，决定了可以方便地在每个像素感光点旁边设置一个放大器和A/D转换电路；同时，可以把很多外围电路集成在这CMOS芯片中，相对制造成本较低，而CCD采用由于是电荷转移的方式输出信号，只要转移链条上有一个像素不能转移就会导致整个图像读出故障，因此制造CCD传感器时的成品率就容易低，相应的CCD传感器的成本就会较高。

CCD虽然成本较高，但为何CMOS一直到近几年才开始大量出现在广播级的摄像机应用中，主要还有几点原因，一是在相同大小相同分辨率的感光面中，CCD基本上就是整个感光面都是可以做光电转换的，但CMOS可用于光电转换的感光面却要小很多，因为他每个感光元素旁边还需做一个放大器和A/D转换，每个像素的感光面积的缩小必然导致灵敏度的下降，这也就是CMOS感光器件在低照度下指标比较吃力的原因。二是由于CMOS每个像素感光点旁边都有一个放大器，但在CMOS制造时很难让每个放大器所的参数保持一致，上百万个参数不一致的放大器的存在，不同的像素的信号经过各自不同参数的放大器，相比较于只有一个放大器的CCD，必然导致CMOS器件的图像噪声就会增加很多。

正是由于在灵敏度和噪声控制方面的问题，在早先CMOS感光器件难以应用到广播级的摄像设备中，多作为工业级的监控设备。

2 CMOS传感器技术存在的问题

CMOS由于读出方式的特点，还存在着固有的CMOS现象——果冻效应。由于一般的CMOS器件即3T技术的器件（即每个感光像素旁边的由3个三极管组成的放大器）由于二极管曝光和电荷存储没有分离，信号读出只能采用每行每个像素依次感光依次读出方式，而不是CCD组件所采用的所有像素同时收集光线，同时曝光。即在曝光开始时，开始收集光线；在曝光结束时，光线收集电路被切断。然后读出即为一帧图像。所以CMOS的这种感光方式形象的称为卷帘快门，而CCD方式称为全局快门。在拍摄高速运动的物体时，如果被拍摄物体相对于摄像机高速运动时，用全局快门方式拍摄，假如曝光时间过长，照片会产生像糊现象；而用卷帘快门方式拍摄，由于逐行扫描速度不够，在不同行的扫描时间内拍摄对象已经发生了位移或改变，导致拍摄出来的图像就可能出现来回摇摆、倾斜或是曝光不匀等现象，这种现象由于与果冻产生的变形和颜色改变类似，因此被形象的称为果冻效应。这也是目前普遍采用一般CMOS传感器作为感光器件的拍摄、摄像设备固有的问题。

3 CMOS传感器技术优势

由于电子技术的飞速发展，特别是CMOS制造工艺的快速发展，尤其是几年来在市场需求的推动下，关键技术不断取得突破。对于CMOS的灵敏度问题，通过采用感光度增强技术，通过使用大尺寸传感器提高开口率，进而又采用背面照射技术和堆栈式（Stacked）CMOS技术，使感光问题得到极大改善；在噪声控制方面，将专门的噪声检测算法直接整合于CMOS图像传感器的控制逻辑中，相当程度地改良放大器不一致带来的噪声。果冻效应问题，由于集成电路制造技术的发展，采用5T即5个三极管组成放大器实现了全局快门方式读出数据，从而消除了果冻效应；同时，同样面积的像素点，由于采用了更高的集成电路制造技术，虽然从3T到了5T，不但使放大器性能提高，而且占用面积反而缩小。随着6T、7T乃至8T技术的出现，更高性能的成像能力、更高速率的帧频都已经实现。当然，在目前5T乃至更高技术的CMOS器件的制造成本还是不低的，当前大量应用的还是存在果冻效应的CMOS设备。

随着CMOS组件大规模的应用，特别是大画幅CMOS传感器应用的越来越多，在专业视频领域，单CMOS摄像机也正在增加。传统的3CMOS摄像机是采用分光棱镜将光束分成红绿蓝三原色，分别在三块传感器上面成像，这3个成像器中每个都有相同数量的等间隔像素。而单CMOS多采用的是芯片像素上的马赛克彩色掩膜，目前大多数单CMOS摄像机在各个像素上的掩膜中都采用拜尔滤色片，拜尔滤色片允许接受绿光的像素数是接受红光或蓝光的像素数的两倍，这是基于人类视觉对绿色最为敏感，以利于获得更准确的色彩重现。相应

掩膜像素点感光获得对应的色彩分量，再通过各种不同的插值计算获得其他两种颜色的色彩分量，以实现RGB输出。虽然单CMOS摄像机没有分光棱镜使得制造摄像机更简单，但由于使用马赛克滤色片，没有共位置的像素，不是如三成像器摄像机每个像素的红、绿、蓝的子像素完全在同一点，采用插值计算的过程中通过前后左右均衡计算或是做水平垂直方向的色彩变化预测来色彩重建。这也意味着单CMOS摄像机所拍摄的图像实际分辨率是难以达到CMOS组件的像素分辨率的，不同的图像重建方法在拍摄不同的图像时可能达到不同的分辨率，一般分辨率是像素数量的1/2～2/3，极端情况是1/4，这意味着拍摄200万像素的高清图像需要300万～400万甚至800万像素的CMOS传感器。这在实际应用中往往使得拍摄彩色细节精细的画面时存在问题，特别是如在绿色玻璃前拍摄非常小的彩色物件，如小花或小蜜蜂，图像重建过程中的预测将产生大量失真，效果不是很好。同时，马赛克滤色片还存在染色材料的光谱特性、染色材料的时间稳定性和使用低通滤波器防止图像失真的问题，因为每种颜色的像素数越低，失真问题可能越严重，由于绿色像素数量是红和蓝像素的2倍，只能或者安排一个极好地处理红色和蓝色通道的抗失真滤波器牺牲绿色像素分辨率，或者按照绿色像素但可能在红色和蓝色中有失真。而不是在三成像器摄像机中，由于每片芯片上的像素数相同，一个低通滤波器就可很好的解决问题。

总之，CMOS摄像机随着信息电子技术的飞速发展正体现出越来越强的优势。可以预见，CMOS的应用范围会越来越广，设备性能和操作便利性也会越来越强。但是在目前，受制造成本的约束，高端CMOS感光器件的应用还不是很广，CCD摄像机还体现着一定的传统优势，但未来一定是CMOS的天下。

参考文献：

［1］张文选,范红,胡屏.CMOS图像传感器介绍［J］.长春光学精密机械学院学报,2002（1）.

［2］程开富.CMOS图象传感器的原理及应用［J］.半导体情报,2001（5）.