CMOS在大范圍醫(yī)療及其他新型圖形傳感器應(yīng)用中贏得市場

目前，傳統(tǒng)的電荷耦合設(shè)備（CCD）圖像傳感器技術(shù)已不能滿足工業(yè)及專業(yè)圖像抓?。╥mage capture）應(yīng)用的需要?；跇?biāo)準(zhǔn)CMOS技術(shù)的新型圖像傳感器技術(shù)以其高度靈活性、出色的靜態(tài)和動態(tài)特性以及在各種系統(tǒng)環(huán)境下表現(xiàn)出的易集成性在醫(yī)用電子產(chǎn)品行業(yè)中開創(chuàng)出了一個全新領(lǐng)域，為用戶提供了更多選擇。

從CCD到CMOS：大勢所趨
 
在過去三十年左右的時間里，CCD技術(shù)一直被用于圖像轉(zhuǎn)換。CCD是一種成熟的技術(shù)，能夠在低噪聲的前提下提供優(yōu)質(zhì)圖像，作為電荷耦合器件在像素間完成圖像數(shù)據(jù)的串行傳輸。為了達到這個目的，CCD需要數(shù)種工作電壓、外部時鐘發(fā)生器以及高級驅(qū)動力和分析電子元件，這些都對空間和電能消耗有很高的要求。因此，此類圖像傳感器在性能特性以及使用的靈活性等方面已不能完全滿足當(dāng)今市場的系統(tǒng)需求。在這種情況下，從CCD圖像傳感器到CMOS區(qū)域傳感器的改朝換代已在所難免。
CMOS傳感器集各種市場最急需功能于一身：
系統(tǒng)集成度更高
動力要求較低
圖像抓取功能更為靈活
界面智能化程度更高
動態(tài)范圍更大
感光度更高

更高的系統(tǒng)集成度 

隨著數(shù)字融合技術(shù)（即將數(shù)種此前彼此獨立的功能，如一臺小型設(shè)備的圖像抓取、圖像處理以及無線通訊等功能，整合在一起）的發(fā)展，市場上對具備自主特性（至少是部分具備自主特性）的子系統(tǒng)的需求越來越多，這種子系統(tǒng)能夠在一套產(chǎn)品中提供盡可能多的功能單元。舉例來說，在專業(yè)測量技術(shù)領(lǐng)域，配有具靈活性特點的數(shù)碼相機、PDA用戶界面以及WLAN（無線局域網(wǎng)）連接的便攜式檢測設(shè)備就能夠非常有效地擴展光學(xué)檢測和監(jiān)控應(yīng)用的范圍。醫(yī)學(xué)圖像處理是另外一個圖像傳感器傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域，其應(yīng)用包括大格式X射線和各種類型的內(nèi)窺鏡檢查，以及符合衛(wèi)生要求的一次性可吞咽“藥丸相機”。CMOS技術(shù)為這個領(lǐng)域提供了功能強大的實施平臺：CCD圖像傳感器仍然需要其他技術(shù)提供外部邏輯以完成控制和模/數(shù)轉(zhuǎn)換功能，CMOS相機芯片則能夠以一種技術(shù)集圖像傳感器、控制、轉(zhuǎn)換、分析邏輯以及HF發(fā)射器于一身，并在同一片硅片上實現(xiàn)上述所有功能。系統(tǒng)功能的進一步集成使自主光電傳感器系統(tǒng)的出現(xiàn)成為可能。目前，這種技術(shù)的實施能否成功主要取決于其使用范圍以及開發(fā)成本和單位產(chǎn)量等基本經(jīng)濟因素。

較低的電源要求 

對于具備成本效益的便攜式設(shè)備來說，只有當(dāng)其部件或子系統(tǒng)的電源供應(yīng)要求較低時，設(shè)備的操作才能不受主網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的制約。CMOS技術(shù)在這一點上占據(jù)了明顯優(yōu)勢：因為CMOS圖像傳感器專為電壓較低的個人供電電源（約為3.3V至2.5V）設(shè)計，而大多數(shù)CCD芯片需要多種較高電壓供應(yīng)，如12V等。要滿足這種高電壓要求，必須首先由可耗散變壓器完成發(fā)電，這就需要占據(jù)寶貴的電路板空間。如果將控制和系統(tǒng)功能集成在CMOS傳感器中，則可免除與其他半導(dǎo)體元件進行外部連接的電纜，同時省卻了耗電巨大的設(shè)備，系統(tǒng)的總體性能將得到改善。與通過電路板或底板與外部進行通訊相比，芯片內(nèi)通訊只需很小的電能。這一優(yōu)點還產(chǎn)生了一個令人驚喜的副作用：CMOS圖像傳感器噪聲水平得到了降低。另一方面，由于模/數(shù)轉(zhuǎn)換器集成在圖像傳感器內(nèi)部，使易產(chǎn)生干擾的模擬信號線無須被發(fā)射至外部，使這種產(chǎn)品的抗干擾性能得到改善。與模擬信號相反，數(shù)字圖像輸出信號幫助系統(tǒng)開發(fā)者輕松完成功能強大的CMOS相機的集成，而無需關(guān)鍵頂部設(shè)備，使其在惡劣環(huán)境下也能正常使用。由于冷卻的可能性很小，設(shè)備（藥丸相機）所耗電能有限，其溫度則需要與體溫相適應(yīng)，因此藥丸相機以及內(nèi)窺鏡等醫(yī)藥和人體內(nèi)部應(yīng)用僅需較低的電能。

更靈活的圖像抓取功能 

在醫(yī)藥和工業(yè)應(yīng)用中，通常只需要抓取圖像的某些特定細節(jié)，但由于CCD圖像傳感器使用串行電荷傳輸，這種傳感器讀取的內(nèi)容包括整個圖像——即全畫幅內(nèi)容，而所需細節(jié)必需在抓取完成后使用獨立的分析電路從整個圖像中提取。 

與此相反，CMOS圖像傳感器的結(jié)構(gòu)與存儲陣列類似，這樣就可以通過二次取樣或選擇部分圖像區(qū)域（取窗）完成個體像素或像素群的尋址和讀取操作。 

二次取樣可提供分辨率較低（但為幀速率的數(shù)倍）的規(guī)則取樣圖案，而取窗功能則可以選取圖像的有用區(qū)域。窗角坐標(biāo)通過串行或并行接口傳輸至CMOS傳感器，并在傳感器內(nèi)接受自動處理以控制讀取操作。這也是將更多邏輯集成至CMOS傳感器的典型情況。由于CCD傳感器不適合邏輯電路，因此上述操作對于CCD傳感器來說是不可能實現(xiàn)的。

更高的動態(tài)范圍 

在工業(yè)和醫(yī)藥應(yīng)用中，許多有用的場景都在逆光條件下發(fā)生，這就要求傳感器擁有較高的動態(tài)范圍。如果使用線性傳感器，其動態(tài)范圍恰好與信噪比（SNR）相應(yīng)，而CMOS圖像傳感器的多斜率操作能夠使動態(tài)范圍得到大幅增加，同時信噪比則保持不變，光強度和輸出電壓之間的分段線性關(guān)系能夠清楚地顯示出這一結(jié)果。整個轉(zhuǎn)換過程帶上了明顯的非線性特點。 

這樣，場景的暗處就能夠通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器可觀的轉(zhuǎn)換范圍得到擴展：轉(zhuǎn)換特性曲線在此處最陡，以確保高感光度與高對比度（見圖1）。在特性曲線上部水準(zhǔn)以外的部分，亮部場景的部分過度曝光維度也可得到充分捕捉。這樣，我們就有可能得到動態(tài)范圍高達100dB、模數(shù)轉(zhuǎn)換范圍為10位的場景圖像。

圖1.　CMOS圖像傳感器的結(jié)構(gòu)與存儲器類似：部分圖像能夠以高幀速率被讀取
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Vout [V] or ADC range：電壓［V］或ADC范圍
Bright part of the scene：場景的亮部
Dark part of the scene：場景的暗部
Light intensity axis：光強度軸

感光度得到提高 

圖像傳感器正朝著感光度更高、曝光時間更短以及像素尺寸更小的趨勢向前發(fā)展。因此，圖像傳感器必需充分發(fā)揮能夠接收到的少量光子的作用。填充因子與量子效應(yīng)的乘積是衡量像素感光度的關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)，量子效應(yīng)能夠反映出光子撞擊產(chǎn)生的電子數(shù)目。幾何填充因子即感光像素面積所占的百分比——與CCD傳感器不同，CMOS像素并非所有部分都具備“看”的功能。這樣，獲取高填充因子數(shù)就成為CMOS技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵目標(biāo)之一。

圖2. 多斜率轉(zhuǎn)換確保高動態(tài)范圍的獲取
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Epitaxial layers of p-type Si with increasing concentration：高濃度P型硅外延層
Type photodiodes：光電二極管
Photo-electrons：光電子 

高填充因子能夠使大部分在標(biāo)準(zhǔn)CMOS處理中為無源/非感光的硅片表面轉(zhuǎn)變?yōu)楦泄鈪^(qū)域。由于光電二極管也可檢測出由整個像素表面下的外延層產(chǎn)生的光電子，因此小型像素可以對以任意角度入射且被低水平暗電流區(qū)分開的光進行處理（見圖2和圖3）。

圖3. 由多EPI層聚集的光電子可以將感光度提高至近紅外（NIR）范圍
a. 傳感器剖面圖
b.　標(biāo)準(zhǔn)EPI和5倍EPI層的光譜特性曲線

發(fā)展趨勢 

傳感器面積縮小代表著一種發(fā)展趨勢：分辨率為512 x 512像素（每像素尺寸為6m x 6m）的客戶定制設(shè)計彩色圖像傳感器BOCA就是這種發(fā)展趨勢的典型例子。BOCA傳感器用于STM Medizintechnik公司的新型一次性結(jié)腸鏡產(chǎn)品，這種結(jié)腸鏡可以對第二大最常見的癌癥――結(jié)腸癌進行診斷。集成時鐘發(fā)生器與FPN校正使這種傳感器的結(jié)構(gòu)非常緊湊，從而使結(jié)腸鏡的清潔度和用戶友好程度都得到提高。

極大型傳感器面積代表著另外一種發(fā)展趨勢。這類傳感器可用作操作過程復(fù)雜的傳統(tǒng)X射線膠片的替代品。利用所謂的拼接技術(shù)，CMOS傳感器能夠以極富成本效益的方式使用8英寸大小的晶圓得到生產(chǎn)，未來還可使用12英寸晶圓。這一技術(shù)大大加快了現(xiàn)代醫(yī)學(xué)圖像處理的速度，而后者至今還在使用由無定形硅制造的光電二極管陣列。 

傳感器的分辨率也在不斷提高之中。舉例來說，660萬像素傳感器IBIS4－6600就已作為自動讀取設(shè)備成功地為視弱患者提供了DIN A4頁面分辨率。這種傳感器是擁有模擬圖像抓取以及片上數(shù)字化與信號處理等功能的完整子系統(tǒng)，能夠在2.5V供電電壓下工作。其2210 x 3002像素傳感器陣列以專利的三晶體管N-well像素技術(shù)為基礎(chǔ)，后者的填充因子尺寸達到3.5 x 3.5m。并行輸出轉(zhuǎn)換器的速率為4000萬樣品/秒，其10位分辨率每秒可傳送5個全幅畫面。為與標(biāo)準(zhǔn)視頻編碼器連接，圖像傳感器在傳送10位寬圖像數(shù)據(jù)的同時還可傳送圖像同步信號、線和像素。 

分辨率為3048 x 4560像素的新型IBIS-14000-M圖像傳感器系由賽普拉斯公司與總部設(shè)在Erfurt的X-Fab共同開發(fā)，其分辨率可達1385像素。像素大小為8m * 8m，傳感器面積約為全35mm格式。四道模擬輸出的幀重復(fù)率大于3幀/秒。這種產(chǎn)品支持所有可編程取窗及二次取樣運行模式，其光學(xué)動態(tài)范圍被設(shè)定為65dB。目前，數(shù)家公司正以這種傳感器為基礎(chǔ)開發(fā)各種生物測量應(yīng)用。 

越來越大的光譜范圍正屈服于CMOS圖像傳感器的征服之下。隨著經(jīng)改進的CMOS技術(shù)不斷涌現(xiàn)，傳感器感光度已經(jīng)可以擴展至近紅外（NIR）范圍。正是（多）EPI層以及密度不斷增加的P型硅片使這一切成為現(xiàn)實。

前景
 
CMOS圖像傳感器的市場正在積極發(fā)展之中，必將逐步成長為大型市場。通過高分辨率、高幀速率、高感光度、低成本的多標(biāo)準(zhǔn)解決方案，CMOS傳感器正在越來越多的應(yīng)用領(lǐng)域中留下自己的足跡。不過在這一成就背后，更重要的原因在于，客戶定制應(yīng)用的開發(fā)推動了特定價值與系統(tǒng)集成的發(fā)展，從而使CMOS技術(shù)闊步向前。

表格：賽普拉斯公司（FillFactory）生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)CMOS圖像傳感器以及部分客戶定制CMOS圖像傳感器家族