CCD與CMOS圖像傳感器在微型攝像機(jī)中的應(yīng)用探討

鐘昊鳴

摘要：現(xiàn)如今，超微型CCD與CMOS圖像傳感器在微型攝像機(jī)中得到了十分廣泛的應(yīng)用，并逐漸實(shí)現(xiàn)了軍事化和實(shí)用化目標(biāo)，例如一分錢硬幣大小的超微型黑白攝像機(jī)、超微型彩色攝像機(jī)、黑白中分辨率攝像機(jī)等，其可以在航空照相機(jī)、單兵偵察設(shè)備、單兵夜視系統(tǒng)當(dāng)中得到廣泛應(yīng)用。本文針對(duì)CCD與CMOS圖像傳感器在微型攝像機(jī)中的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行分析，希望可以為相關(guān)研究人員起到一些參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：CCD;CMOS;圖像傳感器;微型攝像機(jī);應(yīng)用

隨著我國科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，CCD與CMOS圖像傳感器也得到了進(jìn)一步完善和優(yōu)化，現(xiàn)如今已經(jīng)在多個(gè)領(lǐng)域當(dāng)中得到了有效應(yīng)用。通過將CCD與CMOS圖像傳感器在微型攝像機(jī)當(dāng)中進(jìn)行應(yīng)用，可以有效發(fā)揮出圖像傳感器具有的重要作用，對(duì)圖像進(jìn)行精準(zhǔn)獲取，從而提高微型攝像質(zhì)量。

一、CCD與CMOS圖像傳感器的實(shí)際應(yīng)用

現(xiàn)如今，在軍事監(jiān)測系統(tǒng)當(dāng)中，可以將CCD與CMOS圖像傳感器組成的攝像機(jī)，在航空照相機(jī)、單兵偵察設(shè)備、單兵夜視系統(tǒng)當(dāng)中進(jìn)行應(yīng)用。隨著我國科學(xué)技術(shù)水平的不斷提升，CCD攝像機(jī)已變得十分成熟，并發(fā)展出彩色日夜型、超寬動(dòng)態(tài)型以及超低照度型等攝像機(jī)。此傳感器即使在半導(dǎo)體蕭條時(shí)期，其市場增長趨勢仍然十分明顯，可以對(duì)CCD器件進(jìn)行有效替代。與此同時(shí)，CMOS圖像傳感器也在逐漸由低檔市場向中檔市場進(jìn)行進(jìn)駐，并發(fā)展成為圖像傳感器當(dāng)中的主流產(chǎn)品。CMOS圖像傳感器的優(yōu)勢在于其與相關(guān)器件之間具有親和性，而CCD器件主要通過光電效應(yīng)對(duì)電荷進(jìn)行收集，每行像素的電荷會(huì)隨著時(shí)鐘信號(hào)向著模擬移位寄存器上進(jìn)行轉(zhuǎn)移，最后串行轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓。所以，CCD技術(shù)雖然相對(duì)穩(wěn)定，但成本較高，而且產(chǎn)品的成品率相對(duì)較低，無法有效集成驅(qū)動(dòng)電路、CCD成像陣列單片以及信號(hào)處理電路。但CMOS圖像傳感器則可以做成相應(yīng)的單芯片系統(tǒng)，這與CCD器件的多芯片組成不同，可以有效縮小產(chǎn)品尺寸，而且價(jià)格相對(duì)較低，可以使產(chǎn)品功耗得到降低。而且CMOS圖像傳感器還進(jìn)行了高度集成，可以簡化設(shè)計(jì)流程，使產(chǎn)品上市時(shí)間得到縮短，方便用戶進(jìn)行便攜應(yīng)用。

CMOS攝像機(jī)可以實(shí)現(xiàn)紐扣大小，所以在單兵偵察設(shè)備、單兵夜視系統(tǒng)的隱形攝像當(dāng)中可以得到有效應(yīng)用。將CMOS圖像傳感器在軍事監(jiān)測系統(tǒng)當(dāng)中進(jìn)行應(yīng)用，具體包括以下兩個(gè)方面。

首先，對(duì)黑白攝像機(jī)或者特殊彩色攝像機(jī)進(jìn)行使用。CCD圖像傳感器的感光光譜范圍十分寬泛，不僅包括可見光區(qū)域，同時(shí)還向紅外區(qū)域進(jìn)行延長。通過利用這種特性，可以運(yùn)用紅外光源照明在夜間無可見光的情況下實(shí)現(xiàn)照明，從而確保圖像傳感器實(shí)現(xiàn)清晰成像。普通CCD黑白攝像機(jī)可以感受光的光譜特性，不僅能夠?qū)梢姽膺M(jìn)行感受，而且還可以感受紅外光，所以，通過配合使用黑白攝像機(jī)與紅外燈，可以有效實(shí)現(xiàn)夜視目標(biāo)，而且經(jīng)濟(jì)性較高。隨著科學(xué)技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，還誕生了白天彩色和晚上黑白攝像機(jī)，其利用兩個(gè)CCD進(jìn)行切換，或者可以對(duì)一個(gè)CCD數(shù)位電路來實(shí)現(xiàn)切換。

其次，對(duì)低照度攝像機(jī)進(jìn)行使用。通過分析攝像機(jī)最低照度，可以在被攝景物的光亮低到一定程度時(shí)，降低攝像機(jī)輸出視頻信號(hào)的電平，也就是景物光亮度值。在對(duì)該參數(shù)進(jìn)行測定時(shí)，需要對(duì)鏡頭光圈F大小進(jìn)行特別注明。例如，在使用F1.2鏡頭時(shí)，當(dāng)被攝景物照度值為0.02Lx時(shí)，攝像機(jī)輸出視頻信號(hào)幅值可以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)幅值的33%-50%，即攝像機(jī)最低照度。部分?jǐn)z像機(jī)生產(chǎn)廠家可以提供不同光圈的最低照度，當(dāng)對(duì)比紅外燈的要求相對(duì)較高時(shí)，將會(huì)對(duì)紅外燈有效距離產(chǎn)生影響。

二、CMOS圖像傳感和紅外激光照明

CMOS圖像傳感芯片不僅對(duì)可見光具有反應(yīng)，而且還可以感受紅外非可見光波，當(dāng)其處于890-980納米時(shí)，靈敏度和CCD圖像傳感芯片靈敏度相比要相對(duì)較高，而且隨著波長增加，其衰減梯度也相對(duì)較慢。觀察和照明具有共生關(guān)系，因此需要對(duì)更寬波長的紅外照明進(jìn)行發(fā)展。目前，CMOS圖像芯片逐漸得到了快速發(fā)展，并對(duì)1600萬以上像素的圖像芯片進(jìn)行研發(fā)，可以使噪音訊號(hào)壓低。當(dāng)其波長敏感范圍可以向2μm方向擴(kuò)展后，CMOS圖像技術(shù)將可以對(duì)CCD圖像技術(shù)逐漸進(jìn)行全面取代。

目前，所推出的CMOS微型攝像機(jī)，如襯衫紐扣和西裝紐扣般大小的攝像機(jī)，具有低功耗、小體積以及高集成等優(yōu)勢，需要利用CMOS圖像傳感器方能實(shí)現(xiàn)。而通過對(duì)紅外光源小型化和高效能電池進(jìn)行推出與應(yīng)用，可以使社會(huì)生活面貌得到有效改變。傳統(tǒng)微米夜視儀從原本的0代、1代和2代逐漸發(fā)展到現(xiàn)在的3代、4代，可以在微弱光線下對(duì)遠(yuǎn)處圖像進(jìn)行看清，但其懼怕強(qiáng)光照射，容易導(dǎo)致光電增強(qiáng)管燒毀。對(duì)此，需要對(duì)防強(qiáng)光照射的關(guān)閉快門傳感器進(jìn)行附加，所以價(jià)格相對(duì)比較昂貴。微光夜視儀的波長在超過890nm光照時(shí)不會(huì)有反應(yīng)發(fā)生，所以需要對(duì)增加微光夜視儀靈敏度的紅外補(bǔ)光光源進(jìn)行配置使用，然從遠(yuǎn)處會(huì)看到紅光，因此容易被人發(fā)現(xiàn)。CMOS微型攝像機(jī)通常配有固定焦距的小鏡頭，而CMOS攝像機(jī)的圖像質(zhì)量與錄像機(jī)圖像水平相近。想要有效保證攝像機(jī)圖像質(zhì)量，需要選擇適當(dāng)?shù)墓庹諒?qiáng)度，特別是彩色機(jī)，如果環(huán)境光線充足，可以提高圖像對(duì)比度，使色彩變得更為鮮艷，圖像顆粒也會(huì)變得十分細(xì)膩。

結(jié)束語：

綜上所述，隨著我國科學(xué)技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，CCD和CMOS圖像傳感器也在不斷更新和完善當(dāng)中，對(duì)此需要將其在微型攝像機(jī)中進(jìn)行有效應(yīng)用，同時(shí)相關(guān)研究人員也應(yīng)加大研究力度，從而進(jìn)一步提升圖像傳感器應(yīng)用水平，促進(jìn)相關(guān)行業(yè)的健康發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]宋敏，鄶新凱，鄭亞茹.CCD與CMOS圖像傳感器探測性能比較[J].半導(dǎo)體光電，2016，26（1）：5-9.

[2]李豫東，汪波，郭旗，等.CCD與CMOS圖像傳感器輻射效應(yīng)測試系統(tǒng)[J].光學(xué)精密工程，2016，21（11）：2778-2784.

[3]林均仰，舒嶸，黃庚華，等.激光對(duì)CCD及CMOS圖像傳感器的損傷閾值研究[J].紅外與毫米波學(xué)報(bào)，2018，27（6）：475-478.

[4]王旭東，葉玉堂.CMOS與CCD圖像傳感器的比較研究和發(fā)展趨勢[J].電子設(shè)計(jì)工程，2016，18（11）：178-181.