原创 CMOS为移动通信设备设置影像标准

cmos 传感器具有许多ccd传感器无法比拟的优点，比如更快的帧速率，更少的元件数目，更低的系统成本和更低的耗电量。本文将与您一起探讨cmos图像传感器将如何改变移动通信设备。

目前市场上的手机、智能手机和pda主要着眼于在如何减小尺寸，降低成本和耗电量的基础上保持并提高成像敏感度和分辨率。体积减小意味着像素尺寸减小，而像素尺寸减小则意味着采集的光线减少，信号质量明显下降。对于大多数半导体芯片而言，芯片尺寸减小意味着更小线宽的晶圆制造工艺。但对于影像传感器而言，像素大小并不一定会导致晶圆线宽减小。让我们设想一扇纱窗，它的网线直径为1mm，网线之间的中心距为1cm。如果将纱窗上网线的尺寸减小一半，则纱窗孔有效面积增大1%，您很难看出纱窗的透光量有无增加。再让我们回到像素问题上来，像素面积增加1% 不会使光线的采集能力提高很多。而如果我们将网线的中心距减小30%，则纱窗孔的面积将减少56%，这样我们就会发现透过纱窗的光线大幅减少。这是像素设计人员想要减小像素时所面临的问题，传统的芯片减小方法已经不再有效。相反，图像传感器的设计人员需要在减小像素尺寸以保持当前感光度的同时，降低背景噪声，或将感光度的损失最小化。这是前三代cmos影像传感器面临的主要问题。图1 显示了cmos影像传感器像素开发过程遵循的路径图。在ccd开始采用更大像素时，感光度的提高和噪声的降低已经获得了一个理想的像素减小路径。这一理想的焦点已经将消费者对手机摄像头的期望值从性能低下的新奇玩具转变为能够满足大多数消费者需要的工具。同时也让cmos影像传感器将 ccd挤出了移动通信设备的设计领域。现在发展的重点正在从对像素性能的关注转移到如何更好的适应系统需要。

图1 cmos和ccd像素的发展

为该市场提供的影像传感器已经新增了许多有助于降低整体成本的特性。首先是让传感器能够适应透光曲线不够理想的镜头。理想的镜头其中心部分的光线透过量与镜头边缘的光线透过量相同。但是现实总是让人头痛，成本和设计问题无法在这种理想化的镜头中获得解决。用于移动通信设备的许多镜头，在接近镜头边缘时，光线透过率大幅度下降。从用户角度来看，这表现为越接近图像边缘，光线越黯淡。cmos 影像传感器现在设计为能够在影像传感器摄影平面的同一颗芯片上将这种透光差异消除。首先它增强了用户的体验，同时也帮助系统设计师降低了镜头设计过程中的公差，并且降低了镜头设计中必须遵循的规格。因为镜头的成本已经降低，所以上述两项技术都有助于降低系统成本。

随着移动设备摄像头分辨率的提高，消费者也期待着设备性能的提高。消费者期待着摄像头具有自动聚焦和变焦镜头，分辨率在210万像素以上。目前已经将用于确定焦点区域的逻辑添加到为这一市场设计的更高分辨率图像传感器中。这样做的好处是，如果处理能够在影像传感器上完成对焦，就缩短了分析景物是否位于焦点上，并且对焦点的移动做出反应所需的时间。这一特性还能够将应用处理器的能力解放出来，让具有此分辨率传感器的手机具备更高端的功能。变焦的实现过程非常复杂。

在挑选移动通信设备时，我们希望它能够打电话、发信息、玩视频游戏、播放mp3文件，还要能够拍照。与数码相机关系最密切的是变焦镜头，这也是我们在挑选相机时常常遇到的问题。这些镜头的机械对准功能极为准确，但是体积大、重量大，镜头部件的运动增加了设备的耗电量。

将调焦镜头添加到移动通信设备上会导致可靠性下降，重量和电能消耗。前三代cmos成像技术仅能够提供非常简陋的对焦功能。实际上它能够让用户在摄影平面上获得一个2×2或4×4的像素组，并将该像素组显示为一个单一像素。它能够为用户提供2×或4×变焦功能。在实际应用中，消费者需要2.5×、3.8×或其他非倍数变焦功能。还将其用于实现镜头变焦向电子变焦的平滑过渡，并且让您适应这种过渡。

目前，有一种210万像素的图像传感器，它能够通过对景物数据进行数字化处理，实现更为平滑的电子对焦。使用这种方式，变焦过程是在色彩处理过程之后进行的。从消费者的角度来看，系统将镜头拉近拍摄景物的某个区域，与使用镜头变焦的数码相机工作方式相同。

但是，这种变焦方式是通过电子手段，而不是机械手段实现的，镜头上没有配备用于变焦的移动部件。这样可以让制造商定义一个成本低很多的镜头，并且能够大幅度降低组件的公差。制造商所需的材料可以大幅度减少，而可靠性缺不会降低，设备的重量或耗电量也不会有大差别，而消费者仍可以获得变焦功能。这就是第四代cmos成像技术的核心，充分利用半导体技术，在为消费者提供所需功能的同时不断降低系统的整体成本。

移动通信设备中影像传感器的前景难以预测。消费者需要手机中配备500万像素的图像传感器吗？消费者可能会需要，但前提是它必须具有与现在的数码相机相同的性能。消费者需要能够拍摄更长视频短片的影像传感器吗？答案是肯定的。消费者需要这些短片具有高清晰电视格式吗？或许需要吧。这个问题主要取决于电信运营商和手持设备制造商在设备中配备了哪些部件。人们是不是需要不断提高图像传感器的感光度？当然需要，但是手持设备的制造商是不是还想不断降低成本呢？答案无疑是肯定的。

正如我们前面提到的，这里存在着两种相互矛盾的需求，但是主要的cmos图像传感器设计者和制造商始终致力于下一代产品的功能和性能，并且不满足于仅仅使用像素手段，这样一来，消费者和系统制造商的要求就变得协调统一了。