安防图像传感器sensor

发展阶段

图像传感器的核心功能是将自然界的光线信号转换成电信号,所以可以称之为电荷耦合器(这也是CCD (Charged Coupled Device)图像传感器名称的由来)。常见的图像传感器分为CCD和CMOS两种。在安防视频监控处于模拟标清时代,CCD图像传感器是主流,比较有代表性的是SONY 639,673,811,都是模拟监控时代的经典产品。
随着网络技术,芯片技术发展,安防视频监控进入网络高清时代以后,CCD图像传感器产品逐渐被淘汰,CMOS图像传感器成为主流,现在很难看到搭载CCD图像传感器的安防摄像机了。2010年起,CCD市场占有率不断下降,2017年SONY停止生产CCD传感器。在其他图像视频领域,比如机器视觉,医疗等还能看见CCD图像传感器的身影,特别是高级别的扫描仪以及军方器材仍然为CCD所垄断。

分类

图像传感器分为CCD和CMOS两种。
CCD即是Charged Coupled Device,电荷耦合器。电荷耦合器件(Char ge Coupled Device ),传感器中每一行中每一个象素的电荷数据都会依次传送到下一个象素中,由最底端部分输出,再经由传感器边缘的放大器进行放大输出。

CMOS即Complementary Metal Oxide Semiconductor,翻译成中文就是互补式金属氧化物半导体。与CCD不同,CMOS传感器中每个象素都会邻接一个放大器及A/D转换电路,用类似内存电路的方式将数据输出。

CCD传感器技术1969年由贝尔实验室的两个科学家发明,1971年CCD图像传感器诞生。2009年这两个科学家因为对CCD发展的贡献而荣获诺贝尔物理奖。
CMOS技术出现的稍早一些,1963年由美国快捷半导体公司的一个工程师发明。最开始是作为一种集成电路的设计工艺,后来用这种工艺来生产有源像素感测器,也就是CMOS图像传感器。
前面分析了CCD和CMOS的结构的不同,正是因为这种不同影响了二者各自的优缺点。
同等条件下,CMOS使用的元器件相对少,因而功耗较低,数据吞吐速度也比CCD更快。同时,CMOS由于每个像素上都有放大器,分别读出数据,导致图像不一致性和噪声大。而CCD仅从一个节点读出数据,图像一致性好,噪声少。

CCD&CMOS比较

分类分辨率灵敏度信噪比集成度功耗成本速度
CCD
CMOS

品牌

图像传感器市场除了传统的国际品牌,Sony,三星,OV,Aptina,现在国内的Smartsens思特威,台湾的原相PixArt,晶相SOI产品也很不错。
常见的安防视频监控图像传感器及品牌(最后更新于2020.7.31)

品牌/型号规格参数
SONY
IMX2901/2.8′,2.9µm,2.0MP,Starvis,DOL HDR,120fps
IMX3071/2.8′,2.9µm,2.0MP,Starvis,DOL HDR,60fps
IMX3271/2.8′,2.9µm,2.0MP,Starvis,DOL HDR,60fps
IMX3851/2′,3.75µm,2.0MP,DOL HDR,120fps
IMX1231/2.8′,2.5µm,2.0MP,Starvis,DOL HDR,NIR,120fps
IMX3351/2.8′,2.0µm,5.0MP,Starvis,DOL HDR,60fps
IMX1781/1.8′,2.4µm,6.3MP,Starvis,60fps
IMX2741/2.5′,1.62µm,4K,Starvis,DOL HDR,60fps
IMX3341/1.8′,2.0µm,4K,Starvis,DOL HDR,60fps
IMX2261/1.7′,1.85µm,12.4MP,Starvis,40fps
IMX4151/2.8′,1.45µm,8.29MP,Starvis,DOL HDR,90fps
OmniVision
OS08A101/1.8′,2.0µm,4K,60fps
OS05A101/2.7′,2.0µm,5.0MP,60fps
OV46891/3.0′,2.0µm,2.0MP,90fps
OV56581/3.2′,1.75µm,5.0MP,30fps
SmartSens思特威
SOINC晶相
PIXart原相
Galaxycore格科微电子
Aptina安森美收购
Panasonic
STMicroelectronics意法半导体
SKhynix海力士
Canon
Toshiba
infineon英飞凌
Ams艾迈斯
Kodak柯达
思比科
BYD
锐芯
长光辰芯

主要技术参数

  • 低照:Starvis,SNR1s
  • 宽动态:WDR/DOL-HDR/BLC
  • 红外:NIR
  • 像素:分辨率,靶面尺寸
  • 全局快门
  • 灵敏度,信噪比
  • 功耗

常见图像传感器尺寸

传感器类型对角线(mm)宽度(mm)高度(mm)
1/3″64.83.2
1/2.5″7.1825.7604.290
1/2″86.44.8
1/1.8″8.9337.1765.319
2/3″118.86.6
1″1612.89.6
4/3″22.518.813.5
全画幅 - 35 mm43.33624
常见图像传感器尺寸

技术发展(以Sony为例)

  • 2007年,Column-Parallel A/D conversion circuit-equipped CMOS image sensors。每个垂直行的像素都有一个A/D转换器,以并行方式排列。在这种布置中,从垂直信号线读取的模拟信号可以通过最小距离直接传送到每一行的ADC,这减少了在模拟传输期间进入信号的噪声造成的图像质量损失,并且加快了信号的读出。噪声也通过双重噪声消除来降低。
  • 2009年,背照式CMOS图像传感器。从硅衬底的背面接收光线,增加了进光量和光损失,提高了灵敏度。
  • 2012年,堆叠CMOS图像传感器。堆叠结构,像素部分和电路部分分层,实现更高分辨率,更多功能,结构更紧凑。
  • 2015年,Cu-Cu连接器的堆叠CMOS图像传感器。像素芯片和逻辑电路芯片之间用铜片连接,无需通过像素芯片或特殊区域提供电气连接,提高良片生产效率,生产更小尺寸的传感器,扩展更多功能。
  • 现在,AI sensor。在传统sensor逻辑芯片层上加上AI功能,直接输出结构化数据,或者可选AI模型。真正的edge AI。Sony的第一款AI cmos sensor IMX500/501。

文章末尾,提出两个问题,也是目前大家讨论的比较多的。

  1. 作为图像传感器来说,大底和高像素,二选一,哪个更重要?
  2. 一些摄影爱好者比较偏爱CCD传感器的单反,认为CCD的更好,个人喜好还是其他,仰或玄学?

参考资料:

  1. 图像传感器之争,CMOS终究要淘汰CCD?
  2. 色影无忌论坛
  3. 维基百科-电荷耦合器件
  4. 维基百科-互补式金属氧化物半导体
  5. 维基百科-图像传感器
  6. Sony图像传感器技术及发展历程
  7. Sony图像传感器市场