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CMOS在大范围医疗及其他新型图形传感器应用中赢得市场

目前,传统的电荷耦合设备(CCD)图像传感器技术已不能满足工业及专业图像抓取(image capture)应用的需要。基于标准CMOS技术的新型图像传感器技术以其高度灵活性、出色的静态和动态特性以及在各种系统环境下表现出的易集成性在医用电子产品行业中开创出了一个全新领域,为用户提供了更多选择。

从CCD到CMOS:大势所趋
 
在过去三十年左右的时间里,CCD技术一直被用于图像转换。CCD是一种成熟的技术,能够在低噪声的前提下提供优质图像,作为电荷耦合器件在像素间完成图像数据的串行传输。为了达到这个目的,CCD需要数种工作电压、外部时钟发生器以及高级驱动力和分析电子元件,这些都对空间和电能消耗有很高的要求。因此,此类图像传感器在性能特性以及使用的灵活性等方面已不能完全满足当今市场的系统需求。在这种情况下,从CCD图像传感器到CMOS区域传感器的改朝换代已在所难免。
CMOS传感器集各种市场最急需功能于一身:
系统集成度更高
动力要求较低
图像抓取功能更为灵活
界面智能化程度更高
动态范围更大
感光度更高

更高的系统集成度 

随着数字融合技术(即将数种此前彼此独立的功能,如一台小型设备的图像抓取、图像处理以及无线通讯等功能,整合在一起)的发展,市场上对具备自主特性(至少是部分具备自主特性)的子系统的需求越来越多,这种子系统能够在一套产品中提供尽可能多的功能单元。举例来说,在专业测量技术领域,配有具灵活性特点的数码相机、PDA用户界面以及WLAN(无线局域网)连接的便携式检测设备就能够非常有效地扩展光学检测和监控应用的范围。医学图像处理是另外一个图像传感器传统应用领域,其应用包括大格式X射线和各种类型的内窥镜检查,以及符合卫生要求的一次性可吞咽“药丸相机”。CMOS技术为这个领域提供了功能强大的实施平台:CCD图像传感器仍然需要其他技术提供外部逻辑以完成控制和模/数转换功能,CMOS相机芯片则能够以一种技术集图像传感器、控制、转换、分析逻辑以及HF发射器于一身,并在同一片硅片上实现上述所有功能。系统功能的进一步集成使自主光电传感器系统的出现成为可能。目前,这种技术的实施能否成功主要取决于其使用范围以及开发成本和单位产量等基本经济因素。

较低的电源要求 

对于具备成本效益的便携式设备来说,只有当其部件或子系统的电源供应要求较低时,设备的操作才能不受主网络设备的制约。CMOS技术在这一点上占据了明显优势:因为CMOS图像传感器专为电压较低的个人供电电源(约为3.3V至2.5V)设计,而大多数CCD芯片需要多种较高电压供应,如12V等。要满足这种高电压要求,必须首先由可耗散变压器完成发电,这就需要占据宝贵的电路板空间。如果将控制和系统功能集成在CMOS传感器中,则可免除与其他半导体元件进行外部连接的电缆,同时省却了耗电巨大的设备,系统的总体性能将得到改善。与通过电路板或底板与外部进行通讯相比,芯片内通讯只需很小的电能。这一优点还产生了一个令人惊喜的副作用:CMOS图像传感器噪声水平得到了降低。另一方面,由于模/数转换器集成在图像传感器内部,使易产生干扰的模拟信号线无须被发射至外部,使这种产品的抗干扰性能得到改善。与模拟信号相反,数字图像输出信号帮助系统开发者轻松完成功能强大的CMOS相机的集成,而无需关键顶部设备,使其在恶劣环境下也能正常使用。由于冷却的可能性很小,设备(药丸相机)所耗电能有限,其温度则需要与体温相适应,因此药丸相机以及内窥镜等医药和人体内部应用仅需较低的电能。

更灵活的图像抓取功能 

在医药和工业应用中,通常只需要抓取图像的某些特定细节,但由于CCD图像传感器使用串行电荷传输,这种传感器读取的内容包括整个图像——即全画幅内容,而所需细节必需在抓取完成后使用独立的分析电路从整个图像中提取。 

与此相反,CMOS图像传感器的结构与存储阵列类似,这样就可以通过二次取样或选择部分图像区域(取窗)完成个体像素或像素群的寻址和读取操作。 

二次取样可提供分辨率较低(但为帧速率的数倍)的规则取样图案,而取窗功能则可以选取图像的有用区域。窗角坐标通过串行或并行接口传输至CMOS传感器,并在传感器内接受自动处理以控制读取操作。这也是将更多逻辑集成至CMOS传感器的典型情况。由于CCD传感器不适合逻辑电路,因此上述操作对于CCD传感器来说是不可能实现的。

更高的动态范围 

在工业和医药应用中,许多有用的场景都在逆光条件下发生,这就要求传感器拥有较高的动态范围。如果使用线性传感器,其动态范围恰好与信噪比(SNR)相应,而CMOS图像传感器的多斜率操作能够使动态范围得到大幅增加,同时信噪比则保持不变,光强度和输出电压之间的分段线性关系能够清楚地显示出这一结果。整个转换过程带上了明显的非线性特点。 

这样,场景的暗处就能够通过模数转换器可观的转换范围得到扩展:转换特性曲线在此处最陡,以确保高感光度与高对比度(见图1)。在特性曲线上部水准以外的部分,亮部场景的部分过度曝光维度也可得到充分捕捉。这样,我们就有可能得到动态范围高达100dB、模数转换范围为10位的场景图像。