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類型分類：: 科普知識

數據分類：: 圖像傳感器

CMOS/CCD圖像傳感器的突破性進展

發布日期：2022-10-09 點擊率：89

　　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。更先進的制造工藝還實現了更低的成本。此外，創新架構也正在給電路設計帶來更大的靈活性和通用性。

其結果是，圖像傳感器現已被廣泛用于手機、筆記本和膝上電腦、數碼相機、視頻游戲機、玩具、醫療設備、汽車、安全設備、工業設備和許多其它應用。IC Insights公司預測，CMOS和CCD圖像傳感器在今后5年內的年復合增長率(CAGR)將達到14%。這兩種類型圖像傳感器都已找到廣泛的應用，但CMOS圖像傳感器前景尤其好，預計到2012年，它所占的市場份額將從去年的58%上升到73%。

與大多數電子設備一樣，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圖像傳感器預計會有更多的應用，但在要求高性能的應用中仍要求使用CCD圖像傳感器。這不是簡單的哪種圖像傳感器更好的問題。根據具體應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低成本的消費電子產品中都能找到CMOS圖像傳感器。它的性能一直在不斷地提高，現在它已經進入了傳統上被CCD圖像傳感器一統江山的汽車安全應用中，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，可以滿足工業和機器視覺檢查應用、以及安全系統、科學與軍事航空應用的要求。它們也在一些縫隙市場找到了應用，如天文和醫療等專業領域。CCD圖像傳感器的成本也在不斷下降，但性能仍遠超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(如更大帶寬和全幀快門能力)決定的許多系統要求。新的設計和制造建議及其實現將推動它們的性能變得更高。

美國NASA的噴氣推進實驗室(JPL)提出的一種新想法將有效地降低圖像傳感器的散射串擾。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)。他們認為，這種隔離可以同時優化MOSFET和光敏二極管的性能，消除或顯著降低串擾與噪聲，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井結構，可以顯著降低串擾，提高成像器的總體敏感度和色彩保真性。

在經常出現的困難和不利條件下完成圖像同步和操作(特別在機器視覺自動化檢查應用中)，是CMOS圖像傳感器設計師面臨的很大挑戰。業界傳統上依靠利用行間傳送技術的CCD圖像傳感器來實現高速快門，以獲得清晰的圖像。

最近取得的CMOS圖像傳感器進步已經使這種傳感器能夠成功進入機器視覺應用中。憑借并行輸出、窗口調整和片上集成等優勢，一些CMOS圖像傳感器現在已經能夠與某些機器視覺應用中使用的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，這種成像系統可以在數據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點，在圖像捕捉步驟完成后信號將被傳送到這個節點。

存儲節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范圍。Cmosis公司還開發出了安裝在傳感器像素列中的快速ADC。

Dalsa公司也開發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器視覺應用所要求的敏感度、信號容量、噪聲性能和動態范圍。

Photonfocus公司在其A1312 CMOS圖像傳感器采用了自己的LinLog專利技術，可實現快速快門和高達120dB的寬動態范圍。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量變得越來越困難。背面照射技術是其中的一種解決方案。通過與臺積電(TSMC)公司的合作，OmniVision公司相信它已經用OmniBSI方法找到了成功的秘訣(圖2)。OmniVision現在可以用1.4μm工藝為手機生產800萬像素的CMOS圖像傳感器。

　　　　　　　圖2：與傳統的前面照射方法(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。這種技術已被用于OmniVision公司的OmniBSI工藝。

Sony公司在背面照射技術方面也取得了成功。該公司已經用1.75μm工藝生產出了手機、數碼相機和攝像機用的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。

　　圖像質量在改善

更高性能CMOS圖像傳感器滲透進入消費電子市場的一個明證是ST的首個0.25英寸光學格式315萬像素CMOS圖像傳感器。據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提供高質量的圖像，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，也可以在攝像時進行缺陷校正。這些圖像傳感器可以用在手機、筆記本相機、玩具、甚至機器視覺應用中。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用的特殊需求，而且無需修剪就能顯示標準VGA格式的圖像。

在今年的IEEE國際固態電路會議(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備提供更高質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的800萬像素CMOS圖像傳感器。該傳感器基于OmniVision的OmniBSI架構，并采用1.4μm工藝制造。

OmniVision今年初推出了用于筆記本網絡攝像機的最新產品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60幀/秒，在QVGA分辨率時可達210幀/秒。該傳感器也可用于汽車安全應用。

OmniVision另外還推出了一款用于超薄手機的CameraCube圖像傳感器。這是一款三維可回流焊的相機全面解決方案，在2.5×2.9×2.5mm的微型封裝內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。

最新一代數字單反(SLR)相機被證明是CMOS圖像傳感器的極佳應用目標。Micron公司的Aptina是一種比較著名的圖像傳感器產品。據報道，該公司正在制造可用于數字單反相機的900萬像素VGA晶圓級CMOS相機模塊MT9V113M02STC。

索尼已經開發出一種用于數字單反相機的35毫米全尺寸CMOS圖像傳感器，有效像素達2481萬，采用的是索尼列并行模數轉換技術。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生的噪聲引起的圖像質量劣化降至最小，同時提供特別高的信號轉換速度。

Eastman Kodak公司也推出了更先進的用于手機和數字單反相機的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、藍像素排列的Bayer濾波器模式(也是柯達公司開發的)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應用中的道路，如RIDGID公司推出的MicroExplorer數字檢查相機。這個設備在連接彩色液晶手持設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輔助駕駛系統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，這些成像系統將變成道路視頻、雷達和激光雷達數據流的處理中心，就如同是未來汽車的大腦。

這一系統可以通過司機臉部圖像檢測出司機是否疲勞，并能識別交通標志。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圖像傳感器產品十分豐富，一些最新和令人印象深刻的產品來自以下供應商：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用，如高級司機輔助駕駛系統(ADAS)、遠光燈輔助系統和夜視系統。它通過預先提醒司機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的寬動態范圍，在內部場景(intra-scene)條件下提供110dB的動態范圍，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器視覺協會(EMVA)的1288標準。

ST的VL5510車用CMOS成像器同樣適合ADAS應用，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公司合作開發的一款專用視覺處理器配合使用。

Sensata Technologies公司針對ADAS應用開發出了一款名為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展動態范圍和優秀的靈敏度。它的動態范圍可達154dB，有RGB和RGBi兩個版本。Avocet采用的Autobrite寬動態范圍技術收購自賽普拉斯半導體公司。經過近十年的研究，瑞士的電子與微技術中心(CSEM)在今年的ISSCC上展示了一款智能的CMOS圖像傳感器設計。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、工業和消費電子設備的成本。它具有QVGA的分辨率(320×240像素)，并集成了一個數字對數圖像壓縮器。

　　CMOS成像器進入醫療電子應用

CMOS成像器與性能強大圖像處理器的組合已經在醫療電子領域作出很大貢獻。這些組合器件正在成像應用、診斷探頭、可吞咽藥丸和大量其它應用中找到自己的立腳之處。

例如，它們支持內診鏡等一次性診斷儀器，比如Micro-Imaging Solutions公司的產品(圖4)。該公司在郵票大小的電路板上提供了完整的CMOS相機系統。多家CMOS相機公司已經在制造片上相機設計。

　　　　圖4：由Micro-Imaging Solutions公司開發的這種醫療內診鏡(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公司將開發重心放在視頻處理方面，同時使大多數時序和控制電路遠離像素陣列平面，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，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療和工業機器視覺應用使用的75MHz數碼靜止相機和攝像機設計提供很高的清晰度、可視性和精度。

　　下一代產品

在CMOS和CCD圖像傳感器領域之外，SiOnyx公司正在開發一種叫“黑硅”的新材料。該公司相信這種材料可以設計出新一代的圖像傳感器，其靈敏度要比傳統硅片高出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，這種材料兼容現有的CMOS工藝技術。