新穎固體圖像傳感器的發展及應用程開富 (中國電子科技集團公司第44研究所, 重慶 400060)

發布時間:2007/8/28 0:00:00 訪問次數:865

摘要：主要概述SuperCCD、CMOS圖像傳感器、C3D、APDIS、ARAMIS、FoveonX3全色CMOS圖像傳感器、VMIS、薄膜ASIC圖像傳感器、SeeMOS圖像傳感器等新穎固體圖像傳感器的發展現狀。此外，簡單介紹其應用市場和主要技術。

關鍵詞：電荷耦合器件；CMOS圖像傳感器；數碼相機；數字攝像機；綜述

　　1 引言

固體圖像傳感器屬于光電子產業領域的光電子成像器件。隨著數碼技術、半導體器件制造技術、光電子技術及網絡技術的迅速發展，目前市場和業界都面臨跨越各平臺的視訊、影音、通訊大整合時代的到來，勾畫未來人類社會的美景。以其在日常生活中的應用而言，無疑要屬數碼相機、攝錄一體機和攝像機產品，其發展速度日新月異。短短幾年，數碼相機就由幾十萬像素發展到500萬像素、600萬像素甚至更高。不僅在發達的歐美國家數碼相機占有很大的市場，就是在發展中的中國，數碼相機的市場也在以驚人的速度增長，因此，其關鍵器件——固體圖像傳感器已成為當前和未來業界關注的對象，吸引著眾多廠商。以器件類別區分，固體圖像傳感器主要分為CCD、CMOS及CIS三種。有關CCD、CMOS及CIS的發展狀況、典型結構、性能參數、工作原理及其應用等，筆者已作過詳細介紹[1]～[5]。這里，主要簡單介紹最近幾年發展起來的固體圖像傳感器的最新發展現狀、應用市場和主要技術。

　　2 固體圖像傳感器的現狀

　　2.1 超級CCD

在傳統CCD中，光電二極管是矩形的，其尺寸受到限制。制造商們盡管不斷地增加像素以提高圖像質量，同時縮小像素和光電二極管面積，但是，光吸收的低效率已成為提高感光度、信噪比和動態范圍的另一個障礙。

為了尋求更好的解決方法，日本富士公司的科研人員對人類視覺進行了全面的研究，他們得到一個結論：像信息的空間頻率和功率都聚集在水平和垂直軸上，最低的功率在45°對角線上。根據這一理論研究結果，超級(Super)CCD[6]的像素都按45°角排列，形成蜂窩狀結構。控制信號通道被取消，為光電二極管留出更多的空間。光電二極管是八角形的，非常接近微透鏡的圓形，因此，可以更有效地吸收光。SuperCCD把無助于影像記錄的空間減少到最低限度，感光效率、感光度和信噪比得到提高，動態范圍得以擴大。

SuperCCD的讀出采用水平跳躍讀出方式，雖然跳躍讀出像素會大大降低視頻圖像質量，但是，由于豎直線條讀出速度太慢，傳統CCD還必須在圖像輸出時采用跳躍讀出方式。而且，傳統CCD水平方向的像素只有兩種顏色，必須讀出兩行數據才能形成彩色。SuperCCD的每行像素包含紅、綠、藍（R、G、B）三種彩色，除了以1/2或其他比率進行垂直跳躍讀出外，還可以進行水平1/3跳躍讀出，可以獲得高質量的視頻輸出。與傳統CCD不同的是SuperCCD的電荷通道更加寬闊，能夠高速傳輸數據，因此，只要加簡單的電子快門控制，使得它具有進行快速精確連續拍攝的潛能，所有像素的數據即可一次讀出。自1999年第一代SuperCCD問世后，到2003年初已發展到第四代SuperCCD，用該器件開發的數碼相機的攝像效果已達到人眼的視覺效果。

　　2.2 CMOS圖像傳感器

CMOS圖像傳感器的研究始于20世紀60年代末，由于受當時工藝技術的限制，直到90年代初才發展起來，至今已研制出三大類CMOS圖像傳感器[7][[8]，即CMOS無源像素傳感器（簡稱CMOSPPS）、CMOS有源像素傳感器(簡稱CMOSAPS）和CMOS數字像素傳感器（簡稱CMOSDPS）。在此基礎上又問世了CMOS視覺傳感器、CMOS應力傳感器、對數極性CMOS傳感器、CMOS視網膜傳感器、CMOS凹型傳感器、對數變換CMOS圖像傳感器、軌對軌CMOS有源像素傳感器、單斜率模式CMOS圖像傳感器和CMOS指紋圖像傳感器、FoveonX3全色CMOS圖像傳感器、VMISCMOS圖像傳感器等。

CMOS圖像傳感器具有多種讀出模式。整個陣列逐行掃描讀出是一種普通的讀出模式，這種讀出方式和CCD的讀出方式相似。窗口讀出模式是一種針對窗口內像素信息進行局部讀出的模式，這種讀出模式提高了讀出效率。跳躍式讀出模式同SuperCCD一樣，以降低分辨率為代價提高讀出速率，采用每隔一個或多個像素讀出的模式。

　　2.3 CMOS圖像傳感器的新技術——C3D

C3D（CMOSColorCaptiureDevice）是新一代半導體成像技術，它不僅提高了像素設計技術[9]，也改進了生產工藝。采用0.25μmCMOS工藝生產的這種CMOS圖像傳感器，可以在保全性能的前提下增加晶體管的數量和填充系數。除了增加像素設計的選擇方案外，還可實現更加復雜的功能和更低的功耗。在速度方面也有很大的優勢。

對于設計人員而言，為了最大限度地提高產品質量，設計時合適的權衡取舍是至關重要的。就圖像傳感器而言，量