CMOS摄像器件和红外焦平面器
红外焦平面成像方法及红外焦平面芯片行业竞争分析及发展规划指导报告
技术创新
鼓励企业加大技术研发投入，推动行业的技术 创新和产品升级。
人才培养
加强人才培养和引进，建立完善的人才体系，为行业发展提供人才保障。
行业市场拓展策略
市场定位
01
明确红外焦平面芯片的市场定位，针对不同领域和客户需求，
制定相应的市场拓展策略。
应用领域拓展
随着红外成像技术的不断成熟和成本降低，红外焦平面芯片的应用领域 将进一步拓展，包括智能家居、无人机、智能交通等领域。
03
市场竞争加剧
随着市场规模的扩大和技术进步，红外焦平面芯片行业的竞争将更加激烈。企业需要加大技术研来自和产品创新的投入，以提升竞争力。
03
红外焦平面芯片行业竞 争分析
竞争格局分析
市场份额
根据市场调研数据，美国Flir Systems在全球红外焦平面芯片市场中占据最大的 市场份额，约为30%；法国Thales和美国Raytheon分别占据约20%的市场份额 。
行业发展趋势分析
01 02
技术创新
随着材料科学、微电子技术等领域的发展，红外焦平面芯片的技术水平 不断提高，性能和可靠性得到提升。未来，高灵敏度、高分辨率、快速 响应的红外焦平面芯片将成为主流。
品牌建设
02
加强品牌建设和宣传，提高品牌知名度和美誉度，增强市场竞
争力。
国际合作
03
加强国际合作和交流，引进国际先进技术和管理经验，拓展国
际市场。
05
红外焦平面芯片行业未 来发展展望
技术创新推动行业发展
红外焦平面成像技术不断升级
随着技术的不断进步，红外焦平面成像的分辨率、灵敏度和响应速度将得到显著提升， 推动行业的发展。
数码相机传感器类型介绍
数码相机传感器类型介绍传感器是数码相机中最核心的部件之一，它承担着将光信号转换为数字信号的重要任务。
相机传感器的类型多种多样，不同的传感器类型在像素、噪点、动态范围等方面都有所不同。
本文将介绍几种常见的数码相机传感器类型。
一、CMOS传感器CMOS传感器即互补金属氧化物半导体传感器，是目前数码相机中最常见的传感器类型。
CMOS传感器具有很高的像素密度，可以实现更高的分辨率。
此外，CMOS传感器具有低功耗、高帧率和良好的性价比等优势。
相比于其他类型的传感器，CMOS传感器对电源的需求更低，延长了相机的续航时间。
二、CCD传感器CCD传感器即电荷耦合器件传感器，是早期数码相机中常见的传感器类型。
CCD传感器通过将光信号转换为电荷信号来进行图像采集，后续再将电荷信号转换为数字信号。
CCD传感器在传感器尺寸较小时，可以获得较低的噪点和较宽的动态范围。
然而，CCD传感器相比于CMOS传感器来说更加昂贵，功耗也更高，限制了其在现代数码相机中的广泛应用。
三、FOVEON传感器FOVEON传感器是Sigma相机上采用的一种特殊传感器，它是基于颜色分隔原理工作的。
FOVEON传感器利用层层叠加的感光元件，每一层元件对应一种颜色的光信号。
这种结构允许FOVEON传感器准确获取图像中的颜色信息，从而提供更具真实感的图像效果。
然而，FOVEON传感器在像素密度和高ISO性能方面相对较低，限制了其在高端相机中的应用。
四、BSI传感器BSI传感器即背照式传感器，是近年来相机中的新兴传感器技术。
与传统的传感器不同，BSI传感器通过将电路面朝上直接与光接触，从而提高了光的接收效率。
BSI传感器在低光条件下具有更好的表现，能够提供更低的噪点和更高的动态范围。
此外，BSI传感器还具有更高的像素密度和更快的数据传输速度，进一步提升了相机的性能。
总结：不同类型的数码相机传感器各具特点，在选择相机时需要根据个人需求和使用场景作出合理的选择。
16红外焦平面器件
四、红外焦平面器件红外焦平面器件（IRFPA）就是将CCD、CMOS技术引入红外波段所形成的新一代红外探测器，是现代红外成像系统的关键器件。
IRFPA建立在材料、探测器阵列、微电子、互连、封装等多项技术基础之上。
1.IRFPA的工作条件IRFPA通常工作于1〜3p m、3〜5p m和8〜12p m的红外波段并多数探测300K背景中的目标。
典型的红外成像条件是在300K背景中探测温度变化为0.1K的目标。
用普朗克定律计算的各个红外波段300K背景的光谱辐射光子密度：随波长的变长，背景辐射的光子密度增加。
通常光子密度高于1013/cm2s的背景称为高背景条件，因此3〜5p m或8〜12p m波段的室温背景为高背景条件。
上表同时列出了各个波段的辐射对比度，其定义为：背景温度变化1K所引起光子通量变化与整个光子通量的比值。
它随波长增长而减小。
IRFPA工作条件：高背景、低对比度。
2.IRFPA的分类按照结构可分为单片式和混合式按照光学系统扫描方式可分为扫描型和凝视型按照读出电路可分为CCD、MOSFET和CID等类型按照制冷方式可分为制冷型和非制冷型按照响应波段与材料可分为1〜3p m波段（代表材料HgCdTe—碲镉汞）3〜5p m波段（代表材料HgCdTe、InSb—锑化铟和PtSi—硅化铂）8〜12p m波段（代表材料HgCdTe）。
3.IRFPA的结构IRFPA由红外光敏部分和信号处理部分组成。
红外光敏部分——材料的红外光谱响应信号处理部分——有利于电荷的存储与转移目前没有能同时很好地满足二者要求的材料——IRFPA结构多样性（1）单片式IRFPA单片式IRFPA主要有三种类型：非本征硅单片式IRFPA主要缺点是：要求制冷，工作于8〜14p m的器件要制冷到15〜30K,工作于3〜5p m波段的器件要制冷到40〜65K；量子效率低，通常为5%〜30%；由于掺杂浓度的不均匀，使器件的响应度均匀性较差。
安防监控摄像机主要技术参数
安防监控“摄像机”主要技术参数及性能- [1]摄像机的进展速度很快，从摄像管到 CCD 元件，以其构成的 CCD 摄像机具有体积小、重量轻、不受磁场影响、具有抗震惊和撞击等特点，同时清楚度、照度、牢靠性等指标大大提高而被广泛应用。
CCD 是 Charge Coupled Device(电荷耦合器件)的缩写，它是一种半导体成像器件，因而具有灵敏度高、抗强光、畸变小、体积小、寿命长、抗震惊等优点。
被摄物体的图像经过镜头聚焦至CCD 芯片上，CCD 依据光的强弱积存相应比例的电荷，各个像素积存的电荷在视频时序的掌握下，逐点外移，经滤波、放大处理后，形成视频信号输出。
视频信号连接到监视器或电视机的视频输入端便可以看到与原始图像一样的视频图像。
一、CCD 摄像机的分类㈠依据成像颜色划分CCD 摄像机按成像颜色划分为彩色摄像机和黑白摄像机两种。
除色度处理方面不同外，其它原理根本全都。
主要有光学系统、光电转换系统、信号处理系统组成。
其中光电转换系统是摄像机的核心。
自然图像通过光学镜头成像于摄像机的光靶面上，彩色摄像机的光学系统中使用相干分色棱镜或特别条状滤色镜将光信号分成红、绿、蓝三色光信号，光电转换系统通过摄像管或CCD 元件利用电视扫描方法把光图像信号转换成随时间变化的视频电信号，再经放大、处理、编码而成为全电视信号。
㈡依据区分率划分依据区分率划分为 25 万像素左右，对应彩色 330 线/黑白 400 线的低档型;25 万至 38 万像素之间，对应彩色 420 线/黑白 500 线的中档型;38 万像素以上，对应彩色大于或等于 4 60 线黑白 570 线以上的高档型。
㈢依据摄像灵巧敏度划分依据灵敏度可分为最低照度 1 至 3lux 的一般型;0.1lux 左右的月光型;0.01lux 以下的星光型以及原则上可以为 0Lux，承受红外光源成像的红外照明型。
㈣依据 CCD 靶面尺寸划分摄像机摄像器件(CCD)的尺寸分为 1 英寸、1/2 英寸、1/3 英寸、1/4 英寸等。
红外相机工作原理
红外相机工作原理
红外相机工作原理是基于红外辐射的检测和成像技术。
红外辐射是指在电磁波谱中，波长较长于可见光但较短于微波的辐射。
红外相机利用感光元件（通常为红外焦平面阵列）和图像处理系统来探测和记录物体所发射或反射的红外辐射，从而实现物体的热成像和热变化的监测。
红外相机的主要组件包括红外感光器件、镜头、滤光器、信号处理和显示系统等。
红外感光器件是红外相机的核心部件，它能够将接收到的红外辐射转换成电信号。
常见的红外感光器件有热电偶和焦平面阵列。
热电偶利用红外辐射使两种不同金属的接触点产生温差，从而产生电压信号。
焦平面阵列则由许多微小的红外感光器件组成，每个感光器件负责一个像元，能够直接生成像素级的红外图像。
镜头在红外相机中起到聚焦红外辐射的作用，使其能够在感光器件上形成清晰的红外图像。
为了增强红外图像的质量和可用性，通常还会添加滤光器，用于选择性地透过特定波长范围的红外辐射。
信号处理和显示系统负责将感光器件获取的红外图像进行处理和显示。
在图像处理过程中，常见的操作包括噪声去除、图像增强、温度校正等。
处理后的图像可以通过显示系统以图像或视频的形式呈现给用户。
红外相机工作原理实际上是通过检测物体释放的热能来实现成像。
由于不同物体的温度不同，因此它们会发射不同强度和频
率的红外辐射。
红外相机能够将这种辐射转化为电信号，并经过处理后形成清晰的红外图像。
这种技术在军事、安防、医学和工业等领域有着广泛的应用。
CMOS图像传感与红外激光照明
CMOS图像传感与红外激光照明CMOS图像传感芯片除了可见光对红外非可见光波也有反应，在890～980纳米范围内其灵敏度比CCD图像传感芯片的灵敏度要高出许多，并随波长增加而衰减的梯度也慢一些。
如能设计制造1微米（1000纳米）到2～3微米都敏感的CMOS图像芯片，在夜战和夜间监控上有更广泛的应用。
由于观察与照明是共生的，因此发展波长更宽的红外照明也势所必然了。
能超过100米监控远外的红外光源，目前无一能与红外激光光源相比，而只有远程监控才能达到不惊动被监控对象的目的。
CMOS图像芯片正在飞速发展，到2002年预计200万以上像素的CMOS图像芯片将问世，随着噪音讯号进一步压低，星光级的CMOS摄像机也将面市。
如果波长敏感范围能向2个微米方向扩展，CMOS图像技术全面取代CCD图像技术则为时不远了。
两年后红外光源也会有相应长足发展，带上一副夜视眼镜和一顶配有红外光源和CMOS超微型摄像机的帽子，黑夜将如同白昼。
今后将推出如衬衫钮扣、西装钮扣般大小的CMOS摄像机，这样第三只眼睛将会无处不在。
低功耗、高集成、小体积只有CMOS图像传感器才能办到。
相应的红外光源小型化，以及高效能电池的推出将改变我们整个社会生活的面貌。
传统所用微米夜视仪从0代、1代、2代发展到3代、4代，在微弱的光线下可以看清远处的图像，但它害怕强光的照射，会烧毁光电增强管，为此必须附加防强光照射的关闭快门的传感器，因此价格昂贵，不可能普遍推广。
鉴于微光夜视仪在波长大于890纳米光照时无反应，因此配置用以增加微光夜视仪灵敏度的红外补光光源远看有红暴，易被人发现目标。
从这一层意义上说，我们最近推出的红外激光照明系统有如下几个优点：在波长大于920纳米时，全无红暴；能观察完全黑暗态下（Full dark）的场景和人物，采用星光级的摄像机观察场景，不怕对方用强光照射；比微光夜视仪价格低廉许多，还有用电省，体积小，携带方便等诸多优点。
目前国际上还发展用水银灯作光源盒用“黑”玻璃滤去所有的可见光，再用透镜系统聚焦出一束角度为30°～45°的红外束。
光电成像原理与技术----总复习
光电成像技术的实现途径及应用 射线与X射线成像技术 射线成像技术 X射线成像技术
紫外成像技术 真空型紫外成像技术 紫外变像管 固体型紫外成像技术 紫外探测器
微光夜视技术
微光像增强器技术 像增强器、ICCD等 BCCD、EBCCD、EMCCD
近红外成像技术
真空型近红外成像技术 红外变像管 固体型近红外成像技术 CCD、红外探测器
光电转换器件作为光学成像系统图像接收器，构成光电成像系统， 该系统所涉及的理论知识和技术问题。光电转换器件是系统的核心
光电成像技术已深入到人们日常生活、国民经济、国防建设的各 个领域，是人类文明和发展的基本需要。
光电成像原理, P4
光电成像技术的意义和作用
信息获取是信息传输、处理、显示和存储的前 提，是人类认识客观世界的首要步骤。人类感知 世界首先靠自己的感觉器官，眼睛具有对信息并 行处理功能，它所获得的信息占总获得信息量的 80%以上。
固体成像器件
CCD成像器件
➢ 光敏面阵列、电荷耦 合转移电路构成的集 成块
图 3 IPX－VGA210－L型摄像机
帧/场转移面阵CCD摄像器件
光电成像原理, P27
固体成像器件
CMOS成像器件
➢ 光敏面阵列、二维移位寄 存器构成的集成块
1 光敏元阵列
CMOS像敏元阵列结构 1-垂直移位寄存器；2-水平移位寄存器； 3-水平扫描开关；4-垂直扫描开关；5-像 敏元阵列；6-信号线；7-像敏元。
出刚离去的飞机、坦克和人等所留下的热痕轮廓
计算机图像处理软件改善图像质量，且系统大都设置视频输出，便于通 过电视观察、录象和与通用视频计算机接口系统的连接。
作
探
用
测
距
cmos 波长范围
cmos 波长范围CMOS波长范围是指互补金属氧化物半导体 (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) 设备的工作波长范围。
CMOS是一种集成电路技术，广泛应用于数字逻辑电路和微处理器中。
CMOS器件通常以纳米级别的尺寸制造，因此其工作频率受到波长范围的限制。
下面是一些与CMOS波长范围相关的参考内容：1. CMOS器件的工作波长范围通常在红外区域（700 nm至1000 nm之间）。
这是因为在这个波长范围内，CMOS器件具有较高的灵敏度和响应速度。
2. 许多CMOS摄像头和光传感器的波长范围从可见光到近红外光（400 nm至1000 nm）。
这允许它们在可见光和近红外光照下进行图像捕捉和识别。
3. 由于CMOS器件的制造技术的限制，其工作波长范围不能涵盖远红外光（超过1000 nm）。
对于在远红外光频谱范围内的应用，通常需要使用其他器件和技术，如红外焊接。
4. CMOS器件在不同波长范围内的响应特性具有差异。
例如，在可见光范围内，CMOS器件对波长的响应类似于人眼，可以准确地捕捉并呈现可见光谱中的不同颜色。
而在近红外光范围内，CMOS器件的响应特性主要用于透射图像捕捉和红外辐射检测。
5. CMOS器件的波长范围对于许多应用非常重要。
例如，在生物医学领域，CMOS器件可以用于红外成像，帮助诊断疾病和疟疾。
在安防领域，CMOS摄像头可以用于夜视和人脸识别。
总的来说，CMOS器件的工作波长范围通常在可见光和近红外光之间，其响应特性和应用范围取决于具体的器件设计和制造技术。
虽然CMOS器件在红外区域的响应相对较弱，但它们在可见光谱范围内具有良好的性能，因此在许多应用中仍然得到广泛应用。
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Canon 300D ~$800
1.4、红外焦平面器件
Infrared Focal Plane Arrays, IRFPA 第三代红外热像技术
红外热像仪的基本结构 红外热像仪的核心----红外焦平面器件
热成像技术的优势：
•克服了主动红外夜视需要依靠人工热辐射，并由 此产生容易自我暴露的缺点； •克服了被动微光夜视完全依赖于环境自然光和无 光不能成像的缺点; •穿透烟雾和尘埃的能力很强； •目标伪装困难； •远距离、全天候观察； •有很高的温度灵敏度和较高的空间分辨能力
在像元内引入缓冲器或放大器， 可改善像元性能，称为有源像素传 感器。功耗小，量子效率高。每个 像元有3个晶体管。大多数中低性 能的应用 。
光栅型有源像素结构（GP－APS）
光栅型有源像素型CMOS每个 像素5个晶体管，采用0.25um CMOS工艺允许达到5um像素间距， 浮置扩散电容的典型值为10-14F量 级，产生20uV/e的增益，读出噪声 可达5-20均方根电子。成像质量高。
辐射对比度——背景温度变化1K所引起光子通量变 化与整个光子通量的比值，它随波长增长而减小。
IRFPA工作条件：高背景、低对比度
2 、IRFPA的分类
按照结构可分为单片式和混合式 按照光学系统扫描方式可分为扫描型和凝视型 按照读出电路可分为CCD、MOSFET和CID等类型 按照制冷方式可分为制冷型和非制冷型 按照响应波段与材料可分为
10 ≈1
1、IRFPA的工作条件
波长/μm 300K背景辐射光子通量密度
/(光子/cm2·s) 光积分时间（饱和时间）μs 对比度（300K背景）/（％）
1～3 ≈1012
106 ≈10
3～5 ≈1016
102 ≈3
8～12 ≈1017
10 ≈1
通常光子密度高于1013/cm2s的背景称为高背景条件，
微透镜改善低光特性
CMOS APS图像传感器的功耗较小。但与PPS相比，有源 像素结构的填充系数小，典型值为20%-30%。像素尺寸减小后 低光照下灵敏度迅速降低，采用滤色片和在CMOS上制作微透 镜组合以及CMOS工艺的优势，前景好于CCD。
2、CMOS摄像器件的总体结构
外界光照射像素阵列，产生信号电荷，行选通逻辑 单元选通相应的行像素单元，单元内信号电荷通过各 自所在列总线传输到对应的模拟信号处理器(ASP)及 A/D变换器，转换成相应的数字图像信号输出。 行选通单元扫描方式：逐行扫描和隔行扫描。
1.3、CMOS摄像器件
1990’s，CMOS技术用于图像传感器，其优点结 构简单，耗电量是普通CCD的1/3，制造成本比CCD 低，可将处理电路等完全集成。
1、CMOS像素结构
无源像素型（PPS）和有源像素型（APS）
无源像素结构，1967，Weckler
由一反向偏置光 敏二极管和一个开关 管构成，开关管开启， 二极管与垂直列线连 通，信号电荷 读出。
红外焦平面器件结构
成像透镜
由于这类器件工作是一般安放在成像透镜的焦面上， 所以它们又被叫做红外焦平面器件（IRFPA）。
1、IRFPA的工作条件
IRFPA通常工作于1~3um、3~5um和8~12um的红外 波段并多数探测300K背景中的目标;
红外成像条件是在300K背景中探测温度变化为0.1K 的目标;
Integration Power
Consumption Resolution Image
Quality Speed
Poor 2-5 W Up to 14 Mpix Historically best Usually up to 100
frame/s
Excellent 20-50 mW Up to 12 Mpix Being improved Up to thousands
隔行扫描可以提高图像的场频，但会降低图像的 清晰度。
行选通逻辑单元和列选通逻辑单元配合，可以实现 图像的窗口提取功能，读出感兴趣窗口内像元的图像 信息。
MOS 摄像器件的工作原理：
X 移位寄存器
ΦX1
φX2
信号输出
RL
Y
MOS 开关
E
移
位
A/D
ห้องสมุดไป่ตู้
寄
存
数字信号输出
器
ΦY1 ΦY2
光电二极管
3、CMOS与CCD器件的比较
无源像素单元具有结构简单、像素填充率高及量
子效率比较高的优点。但是，由于传输线电容较大， CMOS无源像素传感器的读出噪声较高，而且随着 像素数目增加，读出速率加快，读出噪声变得更大。
有源像素结构APS（Active Pixel Structure )
光电二极管型有源像素（PP－APS）1994，哥伦比亚大学
工作过程： 光生信号电荷积分在光栅PG下，浮置扩散节点
A复位（电压VDD）；然后改变光栅脉冲，收集在光 栅下的信号电荷 转移到扩散节点。复位电压水平与 信号电压水平之差即传感器的输出信号。
1997年，东芝公司研制成功640*640像素光敏二极 管型CMOS APS，像素尺寸5.6um*5.6um，具有彩色 滤色膜和微透镜阵列。 2000年，美国Foveon公司和美国国家半导体公司 采用0.18umCMOS工艺研制成功4096*4096像素 CMOS APS，像素尺寸5um*5um，管芯尺寸 22mm*22mm，是集成度最高，分辨率最高的CMOS 固体摄像器件。
CCD摄像器件 灵敏度高、噪声低、像素面积小 难与驱动电路及信号处理电路单片集成，需要使用
相对高的工作电压，制造成本比较高
CMOS摄像器件 集成能力强、体积小、工作电压单一、功耗低、
动态范围宽、抗辐射和制造成本低 需进一步提高器件的信噪比和灵敏度
CMOS与CCD器件的对比
CCD vs. CMOS
随波长的变长，背景辐射的光子密度增加。
由普朗克定律计算出红外波段300K背景的光谱辐射光子密度。
波长/μm 300K背景辐射光子通量密度
/(光子/cm2·s) 光积分时间（饱和时间）μs 对比度（300K背景）/（％）
1～3 ≈1012
106 ≈10
3～5 ≈1016
102 ≈3
8～12 ≈1017