市场分析机构TSR 指出，2009 年市场销售的采用互补金属氧化物半导体 (CMOS) 图像传感器的数码相机 (DSC) 不到 400 万部，仅占总销售额的3% (注1)。其余的97%都是采用电荷耦合器件 (CCD) 图像传感器，因为后者这类解决方案具有更高的填充因子和量子效率 (QE)，更低的串扰和暗电流，一直以来都提供了最好的静止图像性能。对相机设计人员而言，传统上CCD图像传感器还能够帮助设计人员提高分辨率，同时继续提升整体图像质量。到目前为止，CMOS 图像传感器技术面临的挑战是：为了获得DSC市场相机设计人员的青睐，必须消除与CCD图像传感器在这些关键性能指标方面的差距。

　　最新一代CMOS 图像传感器利用先进的像素技术，其性能已达到甚至超越了 CCD图像传感器。它们还解决了图像质量问题，并具备CMOS 技术所独有的优势，如更快的速度、 更低的功耗，以及可能的更高集成度 —— 而所有这些特性正是现今数码相机所要求的。事实上，在高端数码单反相机 (DSLR) 市场和新兴的无反光镜数码相机市场中，CMOS 图像传感器技术已占有 90%以上的市场份额，足以证明 CMOS 图像传感器能够提供这些消费设备所需的性能、更快速的连续静止图像捕捉能力，以及全高清 (HD) 视频捕捉能力。

　　在当今竞争极为激烈的紧凑型 DSC 市场，单纯在提高分辨率方面一较高下正变得越来越困难。此外，相机制造厂商和 OEM厂商都在寻找新的方法，以期实现自己产品的差异化。正是这种创新推动力，加之图像质量和性能的提高，加快了当前以及下一代 DSC 产品采用CMOS 图像传感器的速度。事实上，根据TSR估计，2010 年使用CMOS 的DSC数量增加了 300% 以上，达到1200多万部，而预计2011年CMOS图像传感器的采用比例将达到 25%，亦即采用CMOS的相机数量超过 3500万部。市场分析机构 iSuppli 最近预计，到2013 年，CMOS 图像传感器在DSC市场中的份额将超过CCD图像传感器。

　　新一代 CMOS 图像传感器完全克服了其前代产品存在的缺陷，其供应商能提供像素尺寸更小、填充因子更大、QE更高、滚动快门杂音(rolling shutter artifact) 更小、串扰低、暗电流更小、噪声更低的解决方案，从而更好地推动 CMOS 图像传感器更快速地取代CCD图像传感器。

　　CMOS 图像传感器赢得市场份额

　　CMOS 图像传感器如今广受欢迎和采纳的原因在于其能够提供与CCD传感器同等或更好的图像性能、更快的传感器读出速度和帧速。这部分归功于使用了先进的像素技术，能够以更高的成本效益显着提高像素性能。这些技术都能够提升QE，最小化串扰，即使在挑战传统传感器的低光照条件下也可捕捉色彩鲜明的图像。Aptina A-Pix 等技术通过解决导光管和光电二极管的物理结构问题，增强和提升了像素能力。此外，这些先进的像素技术还能够结合数码相机捕捉能力与先进的高性能HD视频能力，从而实现新的混合型DSC相机。

　　在理想情况下，目前 DSC 相机中所采用的图像传感器的视频能力和帧速分别高达1080p与60 帧/秒 (fps)。虽然今天紧凑型 DSC的标准视频帧速只有 30 fps，但60 fps 帧速可让相机有足够能力以最小的滚动快门伪影捕捉到场景内的快速移动目标。

　　市场上某些新CMOS 图像传感器的输出速率能够达到 200MP/s，而全高清视频所需速率为60 fps；具有高速并行读出架构的下一代传感器更可望提供超过500MP/s的输出速率。由于读出速度更快，CMOS 传感器能够同时捕捉高分辨率静止图像和高质量全高清视频，且设计人员无需对二者的性能做折衷让步。这种同时为静止图像摄影和视频提供最佳性能的能力，为具备这种出色视频/静止图像混合功能集的新型DSC相机开辟了新的市场空间。

　　更高的读出速度还能实现HD视频超采样 (oversampling)，以30fps或 60fps的帧速读出尽可能大的视野 (field of view, FOV)，并针对所需的视频输出格式调高分辨率。这样就能够获得失真伪影更少的、质量更高的 HD 视频；而同时通过数字信号处理器 (DSP) 提供像素区域边距，实现电子图像稳定性。除了 HD 视频之外，现在还有基于 120fps、240fps 及更高捕捉速率的慢动作视频模式。

　　CMOS 传感器也在采用多通道高速串行接口，如Sub-LVDS 和 HiSPi，这是由Aptina Imaging开发的一种开放存取、可扩展的高速串行像素接口，以期向 DSP高效传输高速率图像数据。CMOS 传感器的其它集成式功能，如集成式拜耳调节 (Bayer scaling) 功能性，能够针对 DSP 的最大带宽对传感器的输出进行调整，进一步提高系统的灵活性。

　　比较14MPCMOS和CCD性能

　　不管DSC制造厂商是选择CMOS还是CCD作为基础技术，图像传感器都必须能够生成高质量的静止图像。
在以下示例中，Aptina的1400万像素(MP)、1.4微米、1/2.3英寸MT9F002 CMOS图像传感器，集成进一款领先品牌DSC相机中，并与另一款使用具备相同阵列和像素尺寸的14MP、1/2.3英寸 CCD图像传感器的领先品牌DSC相机做比较（图1），涵盖关键的性能标准：低光照灵敏度、颜色串扰，以及在一系列ISO条件下的信噪比(SNR)。

　　传感器QE是捕捉和转换可见光子为电子的效率百分数，这是主要的灵敏度指标。图1是CMOS和CCD相机每种颜色层之最大QE的比较。在具有典型高ISO图像捕捉条件的低光照环境中，绿色和红色光谱通常包含大部分的光能量。以下图表显示CMOS成像器如何在所有颜色层上提供更高的QE，尤其是在绿色和红色波长范围。

　　然而，在比较两种图像传感器的光谱响应时，峰值QE仅仅说明了一部分情况。14MP CMOS图像传感器不仅具有更高的最大QE，还具有较低的颜色串扰。MT9F002 CMOS图像传感器测得的串扰较CCD图像传感器降低3%，这是基础Aptina A-Pix 像素技术固有的光导技术所提供的优势。因而，14MP CMOS图像传感器在所有的光照条件/ISO条件下均可提供更低的颜色噪声和更好的整体信噪比(SNR)。

　　如图2至图5所示，14MP CMOS图像传感器在低和高ISO条件下，性能表现均优于同等格式 (相同阵列和像素尺寸) CCD传感器。为了比较亮度SNR性能，在同等ISO范围，使用相同的基本软件颜色管线，从各个传感器进行原始捕捉，而不采用噪声消除，并使用经过校准的色彩精确的颜色校正矩阵 (color correction matrix, CCM)，用于场景中使用的D65光照。亮度SNR是在目标场景所用的Macbeth图表的18% 中等色调灰色补丁上测得的。所有图像是使用F2.8透镜孔径捕捉的，并具有相同的综合时间。

　　图2所示为两种传感器的ISO100性能比较，来自CMOS传感器的图像显示，最小ISO (最小增益) 条件下的亮度SNR增加了1.5dB。在不同成像区域进行放大，在黑色和灰色的区域中，可以看到CMOS图像传感器的噪声比较低。图3为ISO100成像性能比较的细节区域的放大情况。

　　图4和图5所示为在ISO范围另一端 (ISO1600) 的相似类型性能比较，这类高ISO、高增益条件是不使用闪光灯的低光照环境图像捕捉的典型状况。CMOS传感器在高ISO设置下的亮度SNR增加了2dB 以上(> 30 %)。在CMOS器件一侧，Macbeth图表18%灰色补丁的裁切区域的颜色噪声低得多。在图像的不同区域再进行放大 (图5) ，可以明显看出CMOS传感器具有出色的噪声性能。

　　结论

　　过去的相机制造厂商一直使用CCD图像传感器，提供最佳的静止图像性能和整体图像质量、较高的填充因数和QE，以及更低的暗流。然而，如今的CMOS图像传感器除了具备主流数码相机所需的高性能、更低功耗、更快的连续静止图像捕捉，以及全高清视频捕捉功能之外，还能够提供具备更小像素尺寸、更大填充因数、更高QE，更少的滚动快门杂音，更低的暗流和噪声。事实上，在比较一款Aptina 14MP CMOS 传感器和同等14MP CCD传感器的灵敏度、颜色串扰和SNR重要参数时，CMOS图像传感器脱颖而出，从而推动CMOS传感器在DSC市场领域成为吸引力日益增强的CCD传感器替代产品。