CMOS圖像傳感器積極拓展醫療等新興應用

CMOS圖像傳感器目前占領了面積較大、頻譜范圍較寬和動態范圍較高的領域，為電子圖像捕捉技術創造了新的應用領域。傳統的CCD圖像傳感器技術已不再滿足工業和專業領域的圖像捕捉需求，基于標準CMOS技術的創新性圖像傳感器，以令人矚目的靈活性、優異的靜止和動態特點以及在各類系統環境中的易集成性，為醫療電子中的新穎應用提供了可行的替代性解決方案。

賽普拉斯的300萬像素圖像傳感器積極拓展新興應用。

從CCD到CMOS的發展趨勢

在過去30年里，CCD一直被用于圖像傳感和捕捉。作為一項成熟的技術，它以較低的噪聲提供良好的圖像質量。作為電荷耦合器件，它們連續地把圖像數據從一個像素傳送到另一個像素。為此，它們需要幾個工作電壓、外部時鐘生成器和精密的驅動及選擇電路，需要占用較大電路板空間和消耗較多的功率。因此，使用這類圖像傳感器無論是從性能特點還是靈活性方面考慮都不再滿足目前的系統需求。從CCD圖像傳感器到CMOS區域傳感器的產品換代已進行了一段時間，CMOS區域傳感器具有以下幾個好的特點:更好的系統集成性、較低的功率需求、更靈活的圖像捕捉、更智能的接口、更大的動態范圍和較高的靈敏度。

更好的系統集成性

隨著數字技術融合的進展，即把圖像捕捉、圖像處理和無線通訊等以前的分力功能集成到一個緊湊型器件之中，市場對于這種具有部分完整功能的“自治子系統”的需求不斷增長。這類子系統在一個封裝中提供盡可能多的功能單元。例如，在專業測量技術中，具有靈活的數碼相機、PDA用戶接口和WLAN連接的便攜測試設備，非常有效地擴大了光學檢查和監控任務的范圍。

醫療圖像處理是圖像傳感器的另一個傳統應用領域，從大型X線到所有的內窺鏡檢查方法，一直到可吞咽的“藥丸式相機”。CMOS技術提供了一個非常有用的執行平臺：雖然CCD圖像傳感器仍然需要其它外部邏輯技術以實現控制和模擬/數字轉換，但CMOS相機芯片允許圖像傳感器、控制器件、轉換器和選擇邏輯，以及HF發射機以同一種技術實現，因而可以放置在同一個硅片表面。把更多的系統功能集成到一個“自治的”光電傳感器系統之中是可能的，主要取決于計劃使用的范圍和基本經濟條件，如開發成本和單位數量等。

較低的功率需求

便攜式設備并不依賴電網供電，因此只有當其元件和子系統的功率需求較低時才能正常工作。CMOS技術在這方面顯然具有更多的優勢，因為CMOS圖像傳感器面向3.3V或2.5V左右的較低的單電源電壓，而多數CCD芯片要求多個較高的電源電壓，如高達12V的電壓。這些電壓必須利用比較耗電的變壓器來生成，而且變壓器還占用電路板上的寶貴空間。如果控制和系統功能集成到CMOS傳感器之中，總體性能會更好，因為消除與其它半導體元件相連的外部接線也能省掉它們功耗較大的驅動器：在芯片內部進行的通訊與在芯片外部通過電路板或基板實現的通訊相比，需要的功率要少得多。

此外，采用CMOS圖像傳感器還能帶來一個極受歡迎的“副產品”，即低噪聲發射，而且它們的噪聲絕緣性非常高，因為模擬/數字轉換器都集成在圖像傳感器的內部，意味著容易出現干擾的模擬信號線就不必在外面經過。另外，數字圖像輸出信號使系統集成商更容易以較低的成本集成功能強大的CMOS相機，這也使其能夠用于惡劣的環境之中。例如，醫療、藥丸式相機和內窺鏡等體內應用需要非常低的功率，因為向外散熱的可能性有限，尤其對于藥丸式相機，其外表溫度需要與體溫一致。

更靈活的圖像捕捉

在醫療和工業應用中，人們需要的常常是圖像中的一個具體細節，但由于CCD圖像傳感器的連續電荷傳送，只能讀出全部圖像內容——一個完整的幀。然后再利用一個選擇電路從整個圖像中把需要的部分提取出來。另一方面，CMOS圖像傳感器的結構象一個存儲陣列，以便能夠通過二次取樣，或者通過選擇部分圖像區域(開窗口)，訪問或者讀出單個像素或像素群。

二次取樣提供了一個具有較低分辨率的常規取樣模式，開窗口功能允許選擇圖像的有用部分。窗口四角的坐標通過一個串行或并行接口發送到CMOS傳感器，并在那里得到自動處理，以控制讀出操作。這也是一個把額外的邏輯集成到CMOS傳感器之中的典型例子，這對于CCD是不可能的，因為它采用的技術不適合邏輯電路。

較高的動態范圍

工業和醫藥方面許多有趣的情景都出現在逆光條件下，因此要求圖像傳感器具有較高的動態范圍。雖然線性傳感器的動態范圍正好與信噪比(SNR)成比例，但CMOS圖像傳感器的多斜率操作使得動態范圍得到大幅提高，而SNR仍然不變。光亮度與輸出電壓之間的分段線性關系顯示了這點，這導致整個轉換范圍內具有非線性特點。

因此，場景的較暗部分擴展到模擬/數字轉換器的轉換范圍的較大部分：轉換特征曲線在此處變得最陡，確保了高靈敏度和對比度。通過使特征曲線的上部變得水平，明亮區域中感光過度的一些部分也能充分捕獲。這樣，在10位A/D轉換范圍上就可能獲得動態范圍高達100dB的圖像。

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