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(lǐng)了面積較大、頻譜范圍較寬和動(dòng)態(tài)范圍較高的領(lǐng)域，為電子圖像捕捉技術(shù)創(chuàng )造了新的應用領(lǐng)域。傳統的CCD圖像傳感器技術(shù)已不再滿(mǎn)足工業(yè)和專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域的圖像捕捉需求，基于標準CMOS技術(shù)的創(chuàng )新性圖像傳感器，以令人矚目的靈活性、優(yōu)異的靜止和動(dòng)態(tài)特點(diǎn)以及在各類(lèi)系統環(huán)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(wàn)像素圖像傳感器積極拓展新興應用。

從CCD到CMOS的發(fā)展趨勢

在過(guò)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(shù)，它以較低的噪聲提供良好的圖像質(zhì)量。作為電荷耦合器件，它們連續地把圖像數據從一個(gè)像素傳送到另一個(gè)像素。為此，它們需要幾個(gè)工作電壓、外部時(shí)鐘生成器和精密的驅動(dòng)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(lèi)圖像傳感器無(wú)論是從性能特點(diǎn)還是靈活性方面考慮都不再滿(mǎn)足目前的系統需求。從CCD圖像傳感器到CMOS區域傳感器的產(chǎn)品換代已進(jìn)行了一段時(shí)間，CMOS區域傳感器具有以下幾個(gè)好的特點(diǎn):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(dòng)態(tài)范圍和較高的靈敏度。

更好的系統集成性

隨著(zhù)數字技術(shù)融合的進(jìn)展，即把圖像捕捉、圖像處理和無(wú)線(xiàn)通訊等以前的分力功能集成到一個(gè)緊湊型器件之中，市場(chǎng)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(cháng)。這類(lèi)子系統在一個(gè)封裝中提供盡可能多的功能單元。例如，在專(zhuān)業(yè)測量技術(shù)中，具有靈活的數碼相機、PDA用戶(hù)接口和WLAN連接的便攜測試設備，非常有效地擴大了光學(xué)檢查和監控任務(wù)的范圍。

醫療圖像處理是圖像傳感器的另一個(gè)傳統應用領(lǐng)域，從大型X線(xiàn)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(shù)提供了一個(gè)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(shù)以實(shí)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(fā)射機以同一種技術(shù)實(shí)現，因而可以放置在同一個(gè)硅片表面。把更多的系統功能集成到一個(gè)“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(jīng)濟條件，如開(kāi)發(fā)成本和單位數量等。

較低的功率需求

便攜式設備并不依賴(lài)電網(wǎng)供電，因此只有當其元件和子系統的功率需求較低時(shí)才能正常工作。CMOS技術(shù)在這方面顯然具有更多的優(yōu)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(gè)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(lái)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(huì )更好，因為消除與其它半導體元件相連的外部接線(xiàn)也能省掉它們功耗較大的驅動(dòng)器：在芯片內部進(jìn)行的通訊與在芯片外部通過(guò)電路板或基板實(shí)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(lái)一個(gè)極受歡迎的“副產(chǎn)品”，即低噪聲發(fā)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(zhù)容易出現干擾的模擬信號線(xiàn)就不必在外面經(jīng)過(guò)。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(huán)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(yè)應用中，人們需要的常常是圖像中的一個(gè)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(gè)完整的幀。然后再利用一個(gè)選擇電路從整個(gè)圖像中把需要的部分提取出來(lái)。另一方面，CMOS圖像傳感器的結構象一個(gè)存儲陣列，以便能夠通過(guò)二次取樣，或者通過(guò)選擇部分圖像區域(開(kāi)窗口)，訪(fǎng)問(wèn)或者讀出單個(gè)像素或像素群。

二次取樣提供了一個(gè)具有較低分辨率的常規取樣模式，開(kāi)窗口功能允許選擇圖像的有用部分。窗口四角的坐標通過(guò)一個(gè)串行或并行接口發(fā)送到CMOS傳感器，并在那里得到自動(dòng)處理，以控制讀出操作。這也是一個(gè)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(shù)不適合邏輯電路。

較高的動(dòng)態(tài)范圍

工業(yè)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(dòng)態(tài)范圍。雖然線(xiàn)性傳感器的動(dòng)態(tài)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(dòng)態(tài)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(xiàn)性關(guān)系顯示了這點(diǎn)，這導致整個(gè)轉換范圍內具有非線(xiàn)性特點(diǎn)。

因此，場(chǎng)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(xiàn)在此處變得最陡，確保了高靈敏度和對比度。通過(guò)使特征曲線(xiàn)的上部變得水平，明亮區域中感光過(guò)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(dòng)態(tài)范圍高達100dB的圖像。

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