最新一代CMOS和CCD圖像傳感器
最新一代CMOS和CCD圖像傳感器具有更大的頻譜寬度、更高的靈敏度、更低的工作噪聲和更小的外形尺寸。更先進(jìn)的制造工藝還實現(xiàn)了更低的成本。此外，創(chuàng)新架構(gòu)也正在給電路設(shè)計帶來更大的靈活性和通用性。 其結(jié)果是，圖像傳感器現(xiàn)已被廣泛用于手機(jī)、筆記本和膝上電腦、數(shù)碼相機(jī)、視頻游戲機(jī)、玩具、醫(yī)療設(shè)備、汽車、安全設(shè)備、工業(yè)設(shè)備和許多其它應(yīng)用。IC Insights公司預(yù)測，CMOS和CCD圖像傳感器在今后5年內(nèi)的年復(fù)合增長率（CAGR）將達(dá)到14%.這兩種類型圖像傳感器都已找到廣泛的應(yīng)用，但CMOS圖像傳感器前景尤其好，預(yù)計到2012年，它所占的市場份額將從去年的58%上升到73%. 與大多數(shù)電子設(shè)備一樣，性能和成本將仍然是CMOS和CCD圖像傳感器面臨的主要問題。雖然CMOS圖像傳感器預(yù)計會有更多的應(yīng)用，但在要求高性能的應(yīng)用中仍要求使用CCD圖像傳感器。這不是簡單的哪種圖像傳感器更好的問題。根據(jù)具體應(yīng)用對性能和成本因素的考慮，CMOS或CCD傳感器都有可能是最佳的選擇。 CMOS圖像傳感器通常要比CCD圖像傳感器便宜，因此毫無疑問在許多強調(diào)低成本的消費電子產(chǎn)品中都能找到CMOS圖像傳感器。它的性能一直在不斷地提高，現(xiàn)在它已經(jīng)進(jìn)入了傳統(tǒng)上被CCD圖像傳感器一統(tǒng)江山的汽車安全應(yīng)用中，因為它的性能可以讓人接受，而且成本又更低。 CCD圖像傳感器具有更高的性能，可以滿足工業(yè)和機(jī)器視覺檢查應(yīng)用、以及安全系統(tǒng)、科學(xué)與軍事航空應(yīng)用的要求。它們也在一些縫隙市場找到了應(yīng)用，如天文和醫(yī)療等專業(yè)領(lǐng)域。CCD圖像傳感器的成本也在不斷下降，但性能仍遠(yuǎn)超CMOS圖像傳感器。 CMOS圖像傳感器性能在提高 CMOS圖像傳感器正在滿足由多種參數(shù)（如更大帶寬和全幀快門能力）決定的許多系統(tǒng)要求。新的設(shè)計和制造建議及其實現(xiàn)將推動它們的性能變得更高。 美國NASA的噴氣推進(jìn)實驗室（JPL）提出的一種新想法將有效地降低圖像傳感器的散射串?dāng)_。研究人員建議在每個CMOS像素上增加兩種植入物，它們可以影響成像器中使用的MOSFET和像素光敏二極管之間的垂直隔離度（圖1）。他們認(rèn)為，這種隔離可以同時優(yōu)化MOSFET和光敏二極管的性能，消除或顯著降低串?dāng)_與噪聲，同時提高靈敏度、空間分辨率和色彩保真度。 圖1:與傳統(tǒng)成像器（左）相比，建議的這種CMOS成像器像素器件采用更深的p和n井結(jié)構(gòu)，可以顯著降低串?dāng)_，提高成像器的總體敏感度和色彩保真性。 在經(jīng)常出現(xiàn)的困難和不利條件下完成圖像同步和操作（特別在機(jī)器視覺自動化檢查應(yīng)用中），是CMOS圖像傳感器設(shè)計師面臨的很大挑戰(zhàn)。業(yè)界傳統(tǒng)上依靠利用行間傳送技術(shù)的CCD圖像傳感器來實現(xiàn)高速快門，以獲得清晰的圖像。 最近取得的CMOS圖像傳感器進(jìn)步已經(jīng)使這種傳感器能夠成功進(jìn)入機(jī)器視覺應(yīng)用中。憑借并行輸出、窗口調(diào)整和片上集成等優(yōu)勢，一些CMOS圖像傳感器現(xiàn)在已經(jīng)能夠與某些機(jī)器視覺應(yīng)用中使用的CCD圖像傳感器相媲美。 例如，Cmosis公司的CMOS圖像傳感器就具備全幀快門功能。由于采用了管道式全幀快門像素技術(shù)，這種成像系統(tǒng)可以在數(shù)據(jù)讀取過程中捕捉下一個幀。它的原理是在圖像傳感器的每個像素中集成一個存儲器節(jié)點，在圖像捕捉步驟完成后信號將被傳送到這個節(jié)點。 存儲節(jié)點具有特別低的寄生光敏感性。每個像素讀出時都具有很低的噪聲和很寬的動態(tài)范圍。Cmosis公司還開發(fā)出了安裝在傳感器像素列中的快速ADC. Dalsa公司也開發(fā)出了具有高速快門功能的行間傳送CMOS圖像傳感器。這些傳感器可以提供許多機(jī)器視覺應(yīng)用所要求的敏感度、信號容量、噪聲性能和動態(tài)范圍。 Photonfocus公司在其A1312 CMOS圖像傳感器采用了自己的LinLog專利技術(shù)，可實現(xiàn)快速快門和高達(dá)120dB的寬動態(tài)范圍。該傳感器具有1312×1028像素分辨率，每個像素尺寸是8×8μm,在最高分辨率下的工作速度可達(dá)110幀/秒。 隨著CMOS圖像傳感器像素尺寸的不斷縮小，維持圖像傳感器的性能和圖像質(zhì)量變得越來越困難。背面照射技術(shù)是其中的一種解決方案。通過與臺積電（TSMC）公司的合作，OmniVision公司相信它已經(jīng)用OmniBSI方法找到了成功的秘訣（圖2）。OmniVision現(xiàn)在可以用1.4μm工藝為手機(jī)生產(chǎn)800萬像素的CMOS圖像傳感器。 圖2:與傳統(tǒng)的前面照射方法（左）相比，背面照射（右）CMOS成像器像素可以提供更高的填充因子，因而能提高低亮度條件下的靈敏度。這種技術(shù)已被用于OmniVision公司的OmniBSI工藝。 Sony公司在背面照射技術(shù)方面也取得了成功。該公司已經(jīng)用1.75μm工藝生產(chǎn)出了手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)和攝像機(jī)用的500萬像素CMOS圖像傳感器。ST公司則通過與法國CEA Leti和Tracit Technologies公司的合作，成功展示了利用背面照射技術(shù)在1.45工藝上制造300萬像素CMOS圖像傳感器的可行性。 圖像質(zhì)量在改善 更高性能CMOS圖像傳感器滲透進(jìn)入消費電子市場的一個明證是ST的首個0.25英寸光學(xué)格式315萬像素CMOS圖像傳感器。據(jù)ST介紹，VD6853和VD6803圖像傳感器采用1.75μm工藝制造，可以提供杰出的圖像質(zhì)量，對焦距離可短至15厘米（圖3）。 圖3:意法微電子公司的315萬像素VD6853和VD6803 CMOS圖像傳感器可以為手機(jī)提供高質(zhì)量的圖像，并且景深可淺至15厘米。 包含四通道反虛光電路的嵌入式圖像增強濾波器可以平衡不均勻的照明，也可以在攝像時進(jìn)行缺陷校正。這些圖像傳感器可以用在手機(jī)、筆記本相機(jī)、玩具、甚至機(jī)器視覺應(yīng)用中。VD683提供10位并行接口，VD6803提供CCP2接口。 最近，韓國三星推出了一款0.25英寸光學(xué)格式的120萬像素SoC圖像傳感器，最大分辨率為1280×960像素。用于筆記本和臺式機(jī)的S5K4AW CMOS圖像傳感器通過將圖像分成2×2的組來滿足高清晰度實時視頻應(yīng)用的特殊需求，而且無需修剪就能顯示標(biāo)準(zhǔn)VGA格式的圖像。 在今年的IEEE國際固態(tài)電路會議（ISSCC）上，佳能公司展示的一款330萬像素CMOS圖像傳感器承諾可以為移動設(shè)備提供更高質(zhì)量的視頻和圖像處理能力。這個高性能是通過使用將噪聲降低30%的新的列讀取電路實現(xiàn)的。 在今年2月份舉行的2009年全球移動大會上，OmniVision在整合了傳感器功能和富士通微電子公司移動Milbeaut M-5M0圖像信號處理器的平臺上展示了用于手機(jī)的800萬像素CMOS圖像傳感器。該傳感器基于OmniVision的OmniBSI架構(gòu)，并采用1.4μm工藝制造。 OmniVision今年初推出了用于筆記本網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的最新產(chǎn)品OV7740.這是一款小尺寸低功耗的CMOS圖像傳感器，可以提供6800mV/lux-s的極佳靈敏度。它的工作速度在VGA分辨率時可達(dá)60幀/秒，在QVGA分辨率時可達(dá)210幀/秒。該傳感器也可用于汽車安全應(yīng)用。 OmniVision另外還推出了一款用于超薄手機(jī)的CameraCube圖像傳感器。這是一款三維可回流焊的相機(jī)全面解決方案，在2.5×2.9×2.5mm的微型封裝內(nèi)集成了全功能的單芯片圖像傳感器、嵌入式圖像處理器和晶圓級光學(xué)器件。這款圖像傳感器有兩種型號，一種是提供400×400像素分辨率的OVM6680,另一種是提供VGA分辨率的OVM7690. 最新一代數(shù)字單反（SLR）相機(jī)被證明是CMOS圖像傳感器的極佳應(yīng)用目標(biāo)。Micron公司的Aptina是一種比較著名的圖像傳感器產(chǎn)品。據(jù)報道，該公司正在制造可用于數(shù)字單反相機(jī)的900萬像素VGA晶圓級CMOS相機(jī)模塊MT9V113M02STC. 索尼已經(jīng)開發(fā)出一種用于數(shù)字單反相機(jī)的35毫米全尺寸CMOS圖像傳感器，有效像素達(dá)2481萬，采用的是索尼列并行模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)。這種圖像傳感器中的每個像素列都有自己的ADC,可以將模擬處理過程中產(chǎn)生的噪聲引起的圖像質(zhì)量劣化降至最小，同時提供特別高的信號轉(zhuǎn)換速度。 Eastman Kodak公司也推出了更先進(jìn)的用于手機(jī)和數(shù)字單反相機(jī)的CMOS圖像傳感器，它采用新一代彩色濾波器模式，靈敏度是CMOS和CCD圖像傳感器的2倍以上。這種方法與廣泛使用的、按紅、綠、藍(lán)像素排列的Bayer濾波器模式（也是柯達(dá)公司開發(fā)的）不同，增加了頂部沒有色素的第4個像素。 CMOS圖像傳感器也正在鋪平到新的消費電子和專業(yè)應(yīng)用中的道路，如RIDGID公司推出的MicroExplorer數(shù)字檢查相機(jī)。這個設(shè)備在連接彩色液晶手持設(shè)備的柔性電纜末端使用了一個CMOS圖像傳感器。 CMOS圖像傳感器前景光明 使用CMOS圖像傳感器的可視司機(jī)輔助駕駛系統(tǒng)可以提供巨大的安全好處。如果再配上功能強大的最新處理器、DSP芯片和軟件算法，這些成像系統(tǒng)將變成道路視頻、雷達(dá)和激光雷達(dá)數(shù)據(jù)流的處理中心，就如同是未來汽車的大腦。 這一系統(tǒng)可以通過司機(jī)臉部圖像檢測出司機(jī)是否疲勞，并能識別交通標(biāo)志。它們除了能夠提供車道偏離告警、盲點檢測、前視和后視圖像、行人檢測和夜視輔助功能外，還能在倒車和泊車時提供告警。 汽車用CMOS圖像傳感器產(chǎn)品十分豐富，一些最新和令人印象深刻的產(chǎn)品來自以下供應(yīng)商：Melexis、OmniVision Technologies、Sensata Technologies和ST. Melexis的MLX75307 CMOS圖像傳感器特別適合汽車前視應(yīng)用，如高級司機(jī)輔助駕駛系統(tǒng)（ADAS）、遠(yuǎn)光燈輔助系統(tǒng)和夜視系統(tǒng)。它通過預(yù)先提醒司機(jī)潛在的危險來提高安全性。 此外，MLX75307可以在多重場景條件下提供190dB的寬動態(tài)范圍，在內(nèi)部場景（intra-scene）條件下提供110dB的動態(tài)范圍，并且具有750×400像素的分辨率。它的信噪比是102dB,工作電壓為3.3V,工作溫度范圍從-40℃到125℃。Melexis的這款圖像傳感器符合歐洲機(jī)器視覺協(xié)會（EMVA）的1288標(biāo)準(zhǔn)。 ST的VL5510車用CMOS成像器同樣適合ADAS應(yīng)用，它的特性包括：1024×512像素分辨率，7.14V/lux靈敏度，5.6×5.6μm像素尺寸，33aA/像素暗電流（25℃時），34幀/秒幀速率，而且在近紅外波長處有很高的量子效率。該器件可以與意法微電子公司和Mobileye公司合作開發(fā)的一款專用視覺處理器配合使用。 Sensata Technologies公司針對ADAS應(yīng)用開發(fā)出了一款名為Avocet的CMOS圖像傳感器，它在低亮度和黎明行駛條件下可提供擴(kuò)展動態(tài)范圍和優(yōu)秀的靈敏度。它的動態(tài)范圍可達(dá)154dB,有RGB和RGBi兩個版本。Avocet采用的Autobrite寬動態(tài)范圍技術(shù)收購自賽普拉斯半導(dǎo)體公司。 經(jīng)過近十年的研究，瑞士的電子與微技術(shù)中心（CSEM）在今年的ISSCC上展示了一款智能的CMOS圖像傳感器設(shè)計。這款名為Icycam的成像器在單個裸片上集成了DSP芯片和CMOS傳感器，可有效降低汽車、工業(yè)和消費電子設(shè)備的成本。它具有QVGA的分辨率（320×240像素），并集成了一個數(shù)字對數(shù)圖像壓縮器。 CMOS成像器進(jìn)入醫(yī)療電子應(yīng)用 CMOS成像器與性能強大圖像處理器的組合已經(jīng)在醫(yī)療電子領(lǐng)域作出很大貢獻(xiàn)。這些組合器件正在成像應(yīng)用、診斷探頭、可吞咽藥丸和大量其它應(yīng)用中找到自己的立腳之處。 例如，它們支持內(nèi)診鏡等一次性診斷儀器，比如Micro-Imaging Solutions公司的產(chǎn)品（圖4）。該公司在郵票大小的電路板上提供了完整的CMOS相機(jī)系統(tǒng)。多家CMOS相機(jī)公司已經(jīng)在制造片上相機(jī)設(shè)計。 圖4:由Micro-Imaging Solutions公司開發(fā)的這種醫(yī)療內(nèi)診鏡（a）在尖端安裝有一次性微型CMOS圖像傳感器（b）。成像芯片僅包含像素陣列和一些基本的時序和控制電路，使得整體封裝又小又便宜，并且對圖像分辨率沒有不良影響。 Micro-Imaging Solutions公司將開發(fā)重心放在視頻處理方面，同時使大多數(shù)時序和控制電路遠(yuǎn)離像素陣列平面，目的是盡量縮小成像器陣列的體積。時序和控制電路被直接堆疊在成像器平面后面，或離成像器隔幾米遠(yuǎn)，再通過射頻或可斷開的電纜鏈路連接成像器。 ADI公司則提供一對功能強大、集成度高的14位圖像處理器與CMOS和CCD傳感器配合使用。雙通道ADD9978A和四通道ADD17004這兩個圖像處理器可以為醫(yī)療和工業(yè)機(jī)器視覺應(yīng)用使用的75MHz數(shù)碼靜止相機(jī)和攝像機(jī)設(shè)計提供很高的清晰度、可視性和精度。 下一代產(chǎn)品 在CMOS和CCD圖像傳感器領(lǐng)域之外，SiOnyx公司正在開發(fā)一種叫“黑硅”的新材料。該公司相信這種材料可以設(shè)計出新一代的圖像傳感器，其靈敏度要比傳統(tǒng)硅片高出100倍，可以檢測從紫外線到短波紅外波段的能量，能工作在非常低的電壓電平，并且可以用超薄的0.5μm工藝制造（圖5）。最重要的是，這種材料兼容現(xiàn)有的CMOS工藝技術(shù)。 “這是一種全新的材料，能夠兼容世界上絕大部分的制造基礎(chǔ)設(shè)施。”SiOnyx公司總裁兼首席執(zhí)行官Stephen Saylor表示。
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