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(shí)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(jì)帶來(lái)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(chē)、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(cè)，CMOS和CCD圖像傳感器在今后5年內(nèi)的年復(fù)合增長(zhǎng)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(jì)到2012年，它所占的市場(chǎng)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(wèn)題。雖然CMOS圖像傳感器預(yù)計(jì)會(huì)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(jiǎn)單的哪種圖像傳感器更好的問(wèn)題。根據(jù)具體應(yīng)用對(duì)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(wú)疑問(wèn)在許多強(qiáng)調(diào)低成本的消費(fèi)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(chē)安全應(yīng)用中，因?yàn)樗男阅芸梢宰屓私邮埽页杀居指汀?/font>

　　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(jué)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(chǎng)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(mén)能力）決定的許多系統(tǒng)要求。新的設(shè)計(jì)和制造建議及其實(shí)現(xiàn)將推動(dòng)它們的性能變得更高。

　　美國(guó)NASA的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)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(gè)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(shí)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(shí)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(jué)自動(dòng)化檢查應(yīng)用中），是CMOS圖像傳感器設(shè)計(jì)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(lái)實(shí)現(xiàn)高速快門(mén)，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(jué)應(yīng)用中。憑借并行輸出、窗口調(diào)整和片上集成等優(yōu)勢(shì)，一些CMOS圖像傳感器現(xiàn)在已經(jīng)能夠與某些機(jī)器視覺(jué)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(mén)功能。由于采用了管道式全幀快門(mén)像素技術(shù)，這種成像系統(tǒng)可以在數(shù)據(jù)讀取過(guò)程中捕捉下一個(gè)幀。它的原理是在圖像傳感器的每個(gè)像素中集成一個(gè)存儲(chǔ)器節(jié)點(diǎn)，在圖像捕捉步驟完成后信號(hào)將被傳送到這個(gè)節(jié)點(diǎn)。

　　存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)具有特別低的寄生光敏感性。每個(gè)像素讀出時(shí)都具有很低的噪聲和很寬的動(dòng)態(tài)范圍。Cmosis公司還開(kāi)發(fā)出了安裝在傳感器像素列中的快速ADC.

　　Dalsa公司也開(kāi)發(fā)出了具有高速快門(mén)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(jué)應(yīng)用所要求的敏感度、信號(hào)容量、噪聲性能和動(dòng)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(shí)現(xiàn)快速快門(mén)和高達(dá)120dB的寬動(dòng)態(tài)范圍。該傳感器具有1312×1028像素分辨率，每個(gè)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(lái)越困難。背面照射技術(shù)是其中的一種解決方案。通過(guò)與臺(tái)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(wàn)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(wàn)像素CMOS圖像傳感器。ST公司則通過(guò)與法國(guó)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(wàn)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(fèi)電子市場(chǎng)的一個(gè)明證是ST的首個(gè)0.25英寸光學(xué)格式315萬(wàn)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(duì)焦距離可短至15厘米（圖3）。

圖3:意法微電子公司的315萬(wàn)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。