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CCD摄像机技术的发展趋势及应用前景

一、概述由于CCD摄像机所具有的各种突出优点,所以从发明至今仅20多年其发展速度惊人。近10年来,CCD摄像机的应用已深入到各个领域,可以说是跨行业、跨专业多方面应用的一种光电产品。它的用量以每年20%的速度递增。具不完全统计,1997年—1998年仅中国大陆彩色和黑白CCD摄像机的用量就达60-70万台,这些产品大多数来自国外或者由台湾地区和国内组装。从1998年日本出版的《技术市场》杂志获悉,世界上已把CCD列为未来10年可能增益100倍的高技术产品.据国外专家统计,1997年CCD世界市场规划为16亿美元,而实际上1997年为50亿美元,1998年为65亿美元.日本松下公司对CCD摄像机的世界市场进行了统计和预测,如表1所示。

表1 CCD摄像机的世界市场

用途1995年2000年(预测)
数量/万台数量/万台
监视用100200
工厂自动化用1550
广播用1525
医疗用9.510
电影用9501500
门摄像机(观察客人来访)01000
个人计算机/预警系统用09000
电子照相02000
车载用01000
多媒体用90
其他2040
合计1100.58255
1995年,CCD摄像机世界市场总销售量为1106.5万台,预计到2000年,世界市场对CCD摄像机的总需求为8825万台,约为1995年需求量的8倍。据日本卡西欧计算机公司预测,到2000年世界PC机市场将增加到1亿台,若按每2台PC机就有一台用CCD摄像机作图像传输的输入装置的话,仅和PC机相结合的CCD摄像机市场量就将达到5000万台。同时,CCD摄像机能达到140万像素,像质可达到35mm摄像机的照片水平,再和磁带录像机相结合,其市场量可达2000万台。仅上述两方面的应用,到2000年CCD摄像机的市场量将达到7000万台以上。

由于CCD摄像机用量的急速增加,世界上几个发达国家和地区已形成大规模CCD摄像机制造产业。从*近资料介绍来看,日本、美国、英国、荷兰、德国、俄罗斯、韩国、中国(包括台湾地区在内)等国家均投入大量的资金和人力从事CCD传感器研究以及CCD摄像机的研制和生产,其中日本、美国所生产的CCD传感器芯片和摄像机无论在质量上还是在数量上都处于优越地位。

美国是世界上芯片(IC)设计、制造、加工工艺高度发达的国家。在CCD传感器和应用电视技术方面,以高清晰度、特大靶面、低照度、超高动态范围、红外波段等的CCD摄像机占有优良优势。在航空、航天及各种制导武器方面的应用非常成功。这些产品不仅价格昂贵、而且又受到国家的严格管制。日本是一个电子工业产业化*发达的国家之一。在民用消费型光电产品的开发和生产上堪称世界**位,尤其是CCD摄像机、摄录一体化和广播数字化电视摄录设备基本上包揽了全世界的大部分市场。由于日本本国的新产品更新换代速度很快,所以无论在产品的产量上还是在产品的质量上都占据世界首位。

二、CCD传感器技术发展趋势

这里我们仅就所了解的有关工业应用CCD传感器、CCD摄像机以及CCD摄像机在科研领域的应用,如电视监控、智能大厦、视频网络传输等方面的应用介绍如下。

CCD传感器有两种,**、特殊CCD传感器,如红外CCD芯片(红外焦平面阵列器件)、高灵敏度背照式和电子轰击式CCD、EBCCD等,另外还有大靶面如2048×2048、4096×4096可见光CCD传感器、宽光谱范围(紫外光→可见光→近红外光→3-5μm中红外光→8-14um远红外光)焦平面阵列传感器等。目前已有商业化产品,并广泛应用于各个领域。第二、通用型或消费型CCD传感器在许多方面都有较大地进展,总的方向是提高CCD摄像机的综合性能。

1、CCD传感器的像面尺寸向集成化各轻量化方向的发展

由于制造CCD传感器的硅片和加工成本都很高,所以很希望一片6.5英寸的硅片上光刻出更多的CCD传感器芯片;以由于光刻机的进步,所以在仍保持具有很高灵敏度的特性下,CCD传感器的尺寸向1/2英寸、1/3英寸、1/4英寸、1/5英寸的方向发展。

 

在1993年,1/2英寸的CCD传感器占总产量的5%;1/4英寸的CCD传感器占总产量的10%;1/3英寸的CCD传感器占总产量的85%。在1997年,在总产量比1993年增加200%以上的情况下,1/2英寸的CCD传感器仍有很大发展,已占总产量的15%(1/2英寸由于靶面较大仍有许多场合需要,尤其在科研领域中如MTV1881EX、MTV-2821CB摄像机);1/4英寸的CD传感占总产量的60%。也就是说,1/2英寸较大靶面尺寸CCD传感器仍有很大增长。

2、CCD传感器向高素数、多制式发展

由图1可见,各种CCD传感器的像面尺寸在减少,但其像素数在增加,已由早期的512(H)×596(V)向795(H)×596(V)发展,甚至出现超过百万像素的CCD传感器。为提高水平方向和垂直方向的分辨能力,已从通常的隔行扫描向逐行扫描格式发展。

3、降低CCD传感器的工作电压、减少功耗

在初期研制的CCD摄像机有+24V、+22V、+17V和+5V等,目前通用的为+12V。为配合PC摄像机和网络图像传输的应用,逐步以+12V和+5V两种工作电压为主。

4、提高CCD摄像机的制造效率

为了降低CCD摄像机的制造成本,实现高速自动化生产,制造厂家追求紧密性结构,致力于CCD摄像机的小型化,即由Dip OnBoard(DOB)过锡板工艺改进为Chip OnBoard(COB)板上连接IC芯片的贴片方式。到目前为止,已实现多层板的Multi ChipModule(MCM)多芯片集成模组化制造技术。

5、CCD摄像机的数字化

在制造CCD摄像机时,从以往的Analog模拟系统逐步实现DSP数位化处理,可以借助电子计算机和专门软件系统实现对CCD摄像机,特别是对彩色CCD摄像机的各种参数的量化调整,可以确保CCD摄像机性能指标的优化一致性以及在特殊使用条件下的参数量化修改。

三、CCD摄像机应用领域的发展趋势

1、CCD摄像机的应用领域

CCD摄像机应用领域在不断的扩展,应用技术的深化又促进CCD摄像机的多样化产品的生产。

总体有MOBILE、PUBUC、HOME三个方面,其中有:

(1)Camcorder摄录一体化CCD摄像机。从中国电子工业部市场预测数据获悉,2000年需求量可达150万台。

(2)TV phone据资料介绍,有些移动电话公司正在研发可带视频图像摄入和显示的手机即大哥大。

(3)PC camera到21世纪初叶,随着电脑网络系统的发展,PCCamera作为电脑前端和图像输入系统,CCD摄像机将以不可阻挡的发展势头深入到各种电脑应用的方方面面,也会很快进入家庭。借助电脑网络,实现音、视频同步远程通讯。预计到2000年,我国PC机年销量将为1056万台,仅按计算机配套率20%估算,PCcamera的需求量将为211.2万台。

(4)Doorphone随着住宅商品化,各种现代化住宅楼像雨后春笋般拨地而起,民用住宅的安全防范已提到日程上来,许多住宅可在室内及时地看到来访客人的实时图像和室外局部区域的情况,也为防范坏人入室作案起到有效的监控作用。

(5)Scanner由于计算机网络的普及,所以为了提高各种资料、文字的输入速度,可采用各种扫描仪,读取经过文字识别的资料,可将读入的文字资料转换成文件存入计算机进行编辑,以便在网络上交流。按PC机配套率10%计算,可需线阵和面阵CCD传感器105.6万台。

(6)Bar CodeRegister(BCR)条形码记录器在各种商业流通领域如商场、仓储连锁店等普遍采用。条形码物品记录识别系统与计算机联网可随时取得各种数据。

(7)Medical医用显微内窥镜利用超小型的CCD摄像机或光纤图像传输内窥镜系统,可以实现人体显微手术,减小手术刀口的尺寸,减小伤口感染的可能性,减轻病人的痛苦。同时还可进行实时远程会诊和现场教学。

(8)VehicleCamera在各种车辆中加装CCD摄像机可以使驾驶人员借助车内CCD摄像机、车上的后视镜系统和驾驶员前面的显示器,不仅可随时看到车内的情况,而且可在倒车时观察后面的道路情况,在向前行进过程中也能随时看到后方车辆所保持的距离,提高了行车安全。

(9)Closed CircuitTelevision(CCTV)CCTV是近几年被大家广泛注意的电视监控系统,目前,已发展成为一种新的产业。以CCD摄像机为主要前端传感器,带动了一系列各种配套的主机和配套设备以及传输设备的研制和生产企业。

(10)Broadcast正是由于研制出了新的高质量、高分辨率的CCD摄像机器件,所以才有可能制造出适合广播电视用的CCD摄像机,促进了电视事业的飞速发展。目前已发展成数字电视系统,在一些发达国家已开始实施数字电视广播。

(11)Personal DataAssistant(PDA)个人数据秘书系统是一种体积小于笔记本的电脑,是功能齐全的计算机系统,可以完成多种数据管理功能,并可借助移动电话上的Internet网进行远程传送资料、发传真等。

(12)Digital SignalCamera(DSC)数码照相机是近两三年投放市场的一种新型照相机。由CCD传感器采集的图像信号经过数字处理后,可被记录在**上,由计算机读取**上的图像数据再现出图像,并可借助各种图像处理软件进行图像编辑和图像处理。

以上各项的需求可参考表2。

表二

CCD产品名称1995年1996年2000年备注
扫描仪5.27.8105.6预计在2000年我国PC机销售总量为1056万台(按与PC机配套率10%推算)
传真机6874.83001996年约比1995年增长10%,到2000年将达到中国电子工业部市场预测数据
摄像机5060122按年均增长率20%推算
普通摄录一体机 34150到2000年将达到中国电子工业部市场预测数据
PC多媒体输入  211.2预计2000年我国PC机年销售总量为1056万台(按配套率20%估算)
家用CCD数字摄像机  14.832000年,除美国以外全球需求量量为148.5万台(按我国占10%估算)
其他51050粗略估计
总计1569.2186.61008.1 

2、CCD摄像机应用发展趋势

我们可以看出CCD应用的方方面面。1994年CCD摄像机总的产量为1100万台,1998年总的产量为3500万台,1994年用于Camcorder的量占71%,用于电视监控、可视对讲、汽车等方面的量占27%,用于多媒体PC摄像机的量占2%。到了1998年,应用的比例有明显的变化。由于总的产量增加了3倍以上,所以每一项的应用数量有很大的增加。但对多媒体、可视电话和PC摄像机来说,增加到了总产量的39%,电视监控用量从1994年的27%增加到了1998年的29%,而Camcorder摄录一体化所占的比例从1994年总量的71%下降到了1998年总量的32%。

四、CCD摄像机的技术性能、特点及进展

1、Hyper-D高动态范围CCD摄像机

CCD摄像机是一种用来模拟人眼的光电探测器。但是人眼在观察目标时,可以看清目标的*低照度为1lx当目标照度达到3×105lx时,人眼动态范围,称之为Hyper-DCCD摄像机。

2、从模拟Analoge CCD摄像机向DSP数位处理CCD摄像机方向的发展

采用DSP技术,可以使CCD摄像机在数字检测和数字运算技术上能够有效实现智能化逆光背景补偿;能够自动跟踪白平衡,即可以在任何条件下检测和跟踪“白色”,并以数字运算处进功能来再现原始的景物色彩。

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