CMOS圖像傳感器積極拓展醫(yī)療等新興應(yīng)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(yīng)用領(lǐng)域。傳統(tǒng)的CCD圖像傳感器技術(shù)已不再滿足工業(yè)和專業(yè)領(lǐng)域的圖像捕捉需求，基于標(biāo)準(zhǔn)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)以及在各類系統(tǒng)環(huán)境中的易集成性，為醫(yī)療電子中的新穎應(yīng)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(yīng)用。

從CCD到CMOS的發(fā)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(xiàng)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(xù)地把圖像數(shù)據(jù)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(qū)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，使用這類圖像傳感器無論是從性能特點(diǎn)還是靈活性方面考慮都不再滿足目前的系統(tǒng)需求。從CCD圖像傳感器到CMOS區(qū)域傳感器的產(chǎn)品換代已進(jìn)行了一段時(shí)間，CMOS區(qū)域傳感器具有以下幾個(gè)好的特點(diǎn):更好的系統(tǒng)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(tǒng)集成性

隨著數(shù)字技術(shù)融合的進(jìn)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(gè)緊湊型器件之中，市場對(duì)于這種具有部分完整功能的“自治子系統(tǒng)”的需求不斷增長。這類子系統(tǒng)在一個(gè)封裝中提供盡可能多的功能單元。例如，在專業(yè)測量技術(shù)中，具有靈活的數(shù)碼相機(jī)、PDA用戶接口和WLAN連接的便攜測試設(shè)備，非常有效地?cái)U(kuò)大了光學(xué)檢查和監(jiān)控任務(wù)的范圍。

醫(yī)療圖像處理是圖像傳感器的另一個(gè)傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域，從大型X線到所有的內(nèi)窺鏡檢查方法，一直到可吞咽的“藥丸式相機(jī)”。CMOS技術(shù)提供了一個(gè)非常有用的執(zhí)行平臺(tái)：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(xiàn)控制和模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換，但CMOS相機(jī)芯片允許圖像傳感器、控制器件、轉(zhuǎn)換器和選擇邏輯，以及HF發(fā)射機(jī)以同一種技術(shù)實(shí)現(xiàn)，因而可以放置在同一個(gè)硅片表面。把更多的系統(tǒng)功能集成到一個(gè)“自治的”光電傳感器系統(tǒng)之中是可能的，主要取決于計(jì)劃使用的范圍和基本經(jīng)濟(jì)條件，如開發(fā)成本和單位數(shù)量等。

較低的功率需求

便攜式設(shè)備并不依賴電網(wǎng)供電，因此只有當(dāng)其元件和子系統(tǒng)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?yàn)镃MOS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(shù)CCD芯片要求多個(gè)較高的電源電壓，如高達(dá)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(tǒng)功能集成到CMOS傳感器之中，總體性能會(huì)更好，因?yàn)橄c其它半導(dǎo)體元件相連的外部接線也能省掉它們功耗較大的驅(qū)動(dòng)器：在芯片內(nèi)部進(jìn)行的通訊與在芯片外部通過電路板或基板實(shí)現(xiàn)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(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?yàn)槟M/數(shù)字轉(zhuǎn)換器都集成在圖像傳感器的內(nèi)部，意味著容易出現(xiàn)干擾的模擬信號(hào)線就不必在外面經(jīng)過。另外，數(shù)字圖像輸出信號(hào)使系統(tǒng)集成商更容易以較低的成本集成功能強(qiáng)大的CMOS相機(jī)，這也使其能夠用于惡劣的環(huán)境之中。例如，醫(yī)療、藥丸式相機(jī)和內(nèi)窺鏡等體內(nèi)應(yīng)用需要非常低的功率，因?yàn)橄蛲馍岬目赡苄杂邢?，尤其?duì)于藥丸式相機(jī)，其外表溫度需要與體溫一致。

更靈活的圖像捕捉

在醫(yī)療和工業(yè)應(yīng)用中，人們需要的常常是圖像中的一個(gè)具體細(xì)節(jié)，但由于CCD圖像傳感器的連續(xù)電荷傳送，只能讀出全部圖像內(nèi)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。另一方面，CMOS圖像傳感器的結(jié)構(gòu)象一個(gè)存儲(chǔ)陣列，以便能夠通過二次取樣，或者通過選擇部分圖像區(qū)域(開窗口)，訪問或者讀出單個(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(guī)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(biāo)通過一個(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(duì)于CCD是不可能的，因?yàn)樗捎玫募夹g(shù)不適合邏輯電路。

較高的動(dòng)態(tài)范圍

工業(yè)和醫(yī)藥方面許多有趣的情景都出現(xiàn)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性關(guān)系顯示了這點(diǎn)，這導(dǎo)致整個(gè)轉(zhuǎn)換范圍內(nèi)具有非線性特點(diǎn)。

因此，場景的較暗部分?jǐn)U展到模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換范圍的較大部分：轉(zhuǎn)換特征曲線在此處變得最陡，確保了高靈敏度和對(duì)比度。通過使特征曲線的上部變得水平，明亮區(qū)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(zhuǎn)換范圍上就可能獲得動(dòng)態(tài)范圍高達(dá)100dB的圖像。

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