最新一代CMOS和CCD图像传感器
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最新一代CMOS和CCD图像传感器具有更大的频谱宽度、更高的灵敏度、更低的工作噪声和更小的外形尺寸。更先进的制造工艺还实现了更低的成本。此外，创新架构也正在给电路设计带来更大的灵活性和通用性。 其结果是，图像传感器现已被广泛用于手机、笔记本和膝上电脑、数码相机、视频游戏机、玩具、医疗设备、汽车、安全设备、工业设备和许多其它应用。IC Insights公司预测，CMOS和CCD图像传感器在今后5年内的年复合增长率（CAGR）将达到14%.这两种类型图像传感器都已找到广泛的应用，但CMOS图像传感器前景尤其好，预计到2012年，它所占的市场份额将从去年的58%上升到73%. 与大多数电子设备一样，性能和成本将仍然是CMOS和CCD图像传感器面临的主要问题。虽然CMOS图像传感器预计会有更多的应用，但在要求高性能的应用中仍要求使用CCD图像传感器。这不是简单的哪种图像传感器更好的问题。根据具体应用对性能和成本因素的考虑，CMOS或CCD传感器都有可能是最佳的选择。 CMOS图像传感器通常要比CCD图像传感器便宜，因此毫无疑问在许多强调低成本的消费电子产品中都能找到CMOS图像传感器。它的性能一直在不断地提高，现在它已经进入了传统上被CCD图像传感器一统江山的汽车安全应用中，因为它的性能可以让人接受，而且成本又更低。 CCD图像传感器具有更高的性能，可以满足工业和机器视觉检查应用、以及安全系统、科学与军事航空应用的要求。它们也在一些缝隙市场找到了应用，如天文和医疗等专业领域。CCD图像传感器的成本也在不断下降，但性能仍远超CMOS图像传感器。 CMOS图像传感器性能在提高 CMOS图像传感器正在满足由多种参数（如更大带宽和全帧快门能力）决定的许多系统要求。新的设计和制造建议及其实现将推动它们的性能变得更高。 美国NASA的喷气推进实验室（JPL）提出的一种新想法将有效地降低图像传感器的散射串扰。研究人员建议在每个CMOS像素上增加两种植入物，它们可以影响成像器中使用的MOSFET和像素光敏二极管之间的垂直隔离度（图1）。他们认为，这种隔离可以同时优化MOSFET和光敏二极管的性能，消除或显着降低串扰与噪声，同时提高灵敏度、空间分辨率和色彩保真度。 图1:与传统成像器（左）相比，建议的这种CMOS成像器像素器件采用更深的p和n井结构，可以显着降低串扰，提高成像器的总体敏感度和色彩保真性。 在经常出现的困难和不利条件下完成图像同步和操作（特别在机器视觉自动化检查应用中），是CMOS图像传感器设计师面临的很大挑战。业界传统上依靠利用行间传送技术的CCD图像传感器来实现高速快门，以获得清晰的图像。 最近取得的CMOS图像传感器进步已经使这种传感器能够成功进入机器视觉应用中。凭借并行输出、窗口调整和片上集成等优势，一些CMOS图像传感器现在已经能够与某些机器视觉应用中使用的CCD图像传感器相媲美。 例如，Cmosis公司的CMOS图像传感器就具备全帧快门功能。由于采用了管道式全帧快门像素技术，这种成像系统可以在数据读取过程中捕捉下一个帧。它的原理是在图像传感器的每个像素中集成一个存储器节点，在图像捕捉步骤完成后信号将被传送到这个节点。 存储节点具有特别低的寄生光敏感性。每个像素读出时都具有很低的噪声和很宽的动态范围。Cmosis公司还开发出了安装在传感器像素列中的快速ADC. Dalsa公司也开发出了具有高速快门功能的行间传送CMOS图像传感器。这些传感器可以提供许多机器视觉应用所要求的敏感度、信号容量、噪声性能和动态范围。 Photonfocus公司在其A1312 CMOS图像传感器采用了自己的LinLog专利技术，可实现快速快门和高达120dB的宽动态范围。该传感器具有1312×1028像素分辨率，每个像素尺寸是8×8μm,在最高分辨率下的工作速度可达110帧/秒。 随着CMOS图像传感器像素尺寸的不断缩小，维持图像传感器的性能和图像质量变得越来越困难。背面照射技术是其中的一种解决方案。通过与台积电（TSMC）公司的合作，OmniVision公司相信它已经用OmniBSI方法找到了成功的秘诀（图2）。OmniVision现在可以用1.4μm工艺为手机生产800万像素的CMOS图像传感器。 图2:与传统的前面照射方法（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，因而能提高低亮度条件下的灵敏度。这种技术已被用于OmniVision公司的OmniBSI工艺。 Sony公司在背面照射技术方面也取得了成功。该公司已经用1.75μm工艺生产出了手机、数码相机和摄像机用的500万像素CMOS图像传感器。ST公司则通过与法国CEA Leti和Tracit Technologies公司的合作，成功展示了利用背面照射技术在1.45工艺上制造300万像素CMOS图像传感器的可行性。 图像质量在改善 更高性能CMOS图像传感器渗透进入消费电子市场的一个明证是ST的首个0.25英寸光学格式315万像素CMOS图像传感器。据ST介绍，VD6853和VD6803图像传感器采用1.75μm工艺制造，可以提供杰出的图像质量，对焦距离可短至15厘米（图3）。 图3:意法微电子公司的315万像素VD6853和VD6803 CMOS图像传感器可以为手机提供高质量的图像，并且景深可浅至15厘米。 包含四通道反虚光电路的嵌入式图像增强滤波器可以平衡不均匀的照明，也可以在摄像时进行缺陷校正。这些图像传感器可以用在手机、笔记本相机、玩具、甚至机器视觉应用中。VD683提供10位并行接口，VD6803提供CCP2接口。 最近，韩国三星推出了一款0.25英寸光学格式的120万像素SoC图像传感器，最大分辨率为1280×960像素。用于笔记本和台式机的S5K4AW CMOS图像传感器通过将图像分成2×2的组来满足高清晰度实时视频应用的特殊需求，而且无需修剪就能显示标准VGA格式的图像。 在今年的IEEE国际固态电路会议（ISSCC）上，佳能公司展示的一款330万像素CMOS图像传感器承诺可以为移动设备提供更高质量的视频和图像处理能力。这个高性能是通过使用将噪声降低30%的新的列读取电路实现的。 在今年2月份举行的2009年全球移动大会上，OmniVision在整合了传感器功能和富士通微电子公司移动Milbeaut M-5M0图像信号处理器的平台上展示了用于手机的800万像素CMOS图像传感器。该传感器基于OmniVision的OmniBSI架构，并采用1.4μm工艺制造。 OmniVision今年初推出了用于笔记本网络摄像机的最新产品OV7740.这是一款小尺寸低功耗的CMOS图像传感器，可以提供6800mV/lux-s的极佳灵敏度。它的工作速度在VGA分辨率时可达60帧/秒，在QVGA分辨率时可达210帧/秒。该传感器也可用于汽车安全应用。 OmniVision另外还推出了一款用于超薄手机的CameraCube图像传感器。这是一款三维可回流焊的相机全面解决方案，在2.5×2.9×2.5mm的微型封装内集成了全功能的单芯片图像传感器、嵌入式图像处理器和晶圆级光学器件。这款图像传感器有两种型号，一种是提供400×400像素分辨率的OVM6680,另一种是提供VGA分辨率的OVM7690. 最新一代数字单反（SLR）相机被证明是CMOS图像传感器的极佳应用目标。Micron公司的Aptina是一种比较着名的图像传感器产品。据报道，该公司正在制造可用于数字单反相机的900万像素VGA晶圆级CMOS相机模块MT9V113M02STC. 索尼已经开发出一种用于数字单反相机的35毫米全尺寸CMOS图像传感器，有效像素达2481万，采用的是索尼列并行模数转换技术。这种图像传感器中的每个像素列都有自己的ADC,可以将模拟处理过程中产生的噪声引起的图像质量劣化降至最小，同时提供特别高的信号转换速度。 Eastman Kodak公司也推出了更先进的用于手机和数字单反相机的CMOS图像传感器，它采用新一代彩色滤波器模式，灵敏度是CMOS和CCD图像传感器的2倍以上。这种方法与广泛使用的、按红、绿、蓝像素排列的Bayer滤波器模式（也是柯达公司开发的）不同，增加了顶部没有色素的第4个像素。 CMOS图像传感器也正在铺平到新的消费电子和专业应用中的道路，如RIDGID公司推出的MicroExplorer数字检查相机。这个设备在连接彩色液晶手持设备的柔性电缆末端使用了一个CMOS图像传感器。 CMOS图像传感器前景光明 使用CMOS图像传感器的可视司机辅助驾驶系统可以提供巨大的安全好处。如果再配上功能强大的最新处理器、DSP芯片和软件算法，这些成像系统将变成道路视频、雷达和激光雷达数据流的处理中心，就如同是未来汽车的大脑。 这一系统可以通过司机脸部图像检测出司机是否疲劳，并能识别交通标志。它们除了能够提供车道偏离告警、盲点检测、前视和后视图像、行人检测和夜视辅助功能外，还能在倒车和泊车时提供告警。 汽车用CMOS图像传感器产品十分丰富，一些最新和令人印象深刻的产品来自以下供应商：Melexis、OmniVision Technologies、Sensata Technologies和ST. Melexis的MLX75307 CMOS图像传感器特别适合汽车前视应用，如高级司机辅助驾驶系统（ADAS）、远光灯辅助系统和夜视系统。它通过预先提醒司机潜在的危险来提高安全性。 此外，MLX75307可以在多重场景条件下提供190dB的宽动态范围，在内部场景（intra-scene）条件下提供110dB的动态范围，并且具有750×400像素的分辨率。它的信噪比是102dB,工作电压为3.3V,工作温度范围从-40℃到125℃。Melexis的这款图像传感器符合欧洲机器视觉协会（EMVA）的1288标准。 ST的VL5510车用CMOS成像器同样适合ADAS应用，它的特性包括：1024×512像素分辨率，7.14V/lux灵敏度，5.6×5.6μm像素尺寸，33aA/像素暗电流（25℃时），34帧/秒帧速率，而且在近红外波长处有很高的量子效率。该器件可以与意法微电子公司和Mobileye公司合作开发的一款专用视觉处理器配合使用。 Sensata Technologies公司针对ADAS应用开发出了一款名为Avocet的CMOS图像传感器，它在低亮度和黎明行驶条件下可提供扩展动态范围和优秀的灵敏度。它的动态范围可达154dB,有RGB和RGBi两个版本。Avocet采用的Autobrite宽动态范围技术收购自赛普拉斯半导体公司。 经过近十年的研究，瑞士的电子与微技术中心（CSEM）在今年的ISSCC上展示了一款智能的CMOS图像传感器设计。这款名为Icycam的成像器在单个裸片上集成了DSP芯片和CMOS传感器，可有效降低汽车、工业和消费电子设备的成本。它具有QVGA的分辨率（320×240像素），并集成了一个数字对数图像压缩器。 CMOS成像器进入医疗电子应用 CMOS成像器与性能强大图像处理器的组合已经在医疗电子领域作出很大贡献。这些组合器件正在成像应用、诊断探头、可吞咽药丸和大量其它应用中找到自己的立脚之处。 例如，它们支持内诊镜等一次性诊断仪器，比如Micro-Imaging Solutions公司的产品（图4）。该公司在邮票大小的电路板上提供了完整的CMOS相机系统。多家CMOS相机公司已经在制造片上相机设计。 图4:由Micro-Imaging Solutions公司开发的这种医疗内诊镜（a）在尖端安装有一次性微型CMOS图像传感器（b）。成像芯片仅包含像素阵列和一些基本的时序和控制电路，使得整体封装又小又便宜，并且对图像分辨率没有不良影响。 Micro-Imaging Solutions公司将开发重心放在视频处理方面，同时使大多数时序和控制电路远离像素阵列平面，目的是尽量缩小成像器阵列的体积。时序和控制电路被直接堆叠在成像器平面后面，或离成像器隔几米远，再通过射频或可断开的电缆链路连接成像器。 ADI公司则提供一对功能强大、集成度高的14位图像处理器与CMOS和CCD传感器配合使用。双通道ADD9978A和四通道ADD17004这两个图像处理器可以为医疗和工业机器视觉应用使用的75MHz数码静止相机和摄像机设计提供很高的清晰度、可视性和精度。 下一代产品 在CMOS和CCD图像传感器领域之外，SiOnyx公司正在开发一种叫“黑硅”的新材料。该公司相信这种材料可以设计出新一代的图像传感器，其灵敏度要比传统硅片高出100倍，可以检测从紫外线到短波红外波段的能量，能工作在非常低的电压电平，并且可以用超薄的0.5μm工艺制造（图5）。最重要的是，这种材料兼容现有的CMOS工艺技术。 “这是一种全新的材料，能够兼容世界上绝大部分的制造基础设施。”SiOnyx公司总裁兼首席执行官Stephen Saylor表示。
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