圖像傳感器的最新技術(shù)和發(fā)展趨勢

本文對COMS和CCD傳感器做了簡單的比較，介紹了CMOS傳感器的最新技術(shù)，作者認(rèn)為，供應(yīng)商在傳感器市場中朝兩個(gè)方向在發(fā)展。
不管是最新的手機(jī)還是大型天文望遠(yuǎn)鏡，固態(tài)成像器件幾乎能滿足目前所有圖像捕獲的需求。像素變小能使現(xiàn)有的VGA和數(shù)百萬像素傳感器尺寸減小，但是具有數(shù)千萬像素的大型靜態(tài)傳感器更容易制造。在最近幾年中，基于CMOS技術(shù)的圖像傳感器已成為消費(fèi)類產(chǎn)品的選用技術(shù)。在分辨率為VGA到800萬像素的成像器件中，它們比電荷耦合器件(CCD)傳感器具有更高的成本和性能優(yōu)勢。不過，在800萬像素以上的市場中，CCD仍占絕對優(yōu)勢，因?yàn)镃CD的噪聲更低，靈敏度更高(圖1)。

圖1：在800萬像素以上的市場中，CCD仍占絕對優(yōu)勢，因?yàn)镃CD的噪聲更低，靈敏度更高。
CCD傳感器在工業(yè)和醫(yī)療應(yīng)用中也占據(jù)著統(tǒng)治地位，因?yàn)檫@些領(lǐng)域追求的是高幀速率，而不是高分辨率。芯片架構(gòu)范圍從數(shù)千像素的簡單線性陣列到數(shù)百萬像素陣列。Fairchild Imaging、Fraunhofer-IMS、Hamamatsu、柯達(dá)和Saroff Labs都能提供滿足這一市場需求的解決方案。
CMOS傳感器利用CMOS技術(shù)的工藝擴(kuò)展性能，以及圖像處理器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)等更強(qiáng)的集成邏輯功能，來實(shí)現(xiàn)一套完整的“片上相機(jī)”解決方案。由于CMOS傳感器的像素尺寸已經(jīng)減小到每邊小于3μm，因此設(shè)計(jì)工程師可以在與上一代VGA傳感器相同的芯片面積上，設(shè)計(jì)出更小的VGA分辨率傳感器或具有數(shù)百萬像素的傳感器。
另外，在未來幾年中，汽車安全應(yīng)用將開始消費(fèi)數(shù)量巨大的低成本成像器件。輔助照相機(jī)、駕駛員打瞌睡警報(bào)、安全氣囊及其它應(yīng)用都將利用圖像數(shù)據(jù)，來更好地保護(hù)駕駛員。
光刻和像素設(shè)計(jì)的進(jìn)一步發(fā)展將提供更好的可擴(kuò)展性，使設(shè)計(jì)工程師能設(shè)計(jì)出具有更高分辨率的器件。關(guān)鍵挑戰(zhàn)在于在光源捕獲面積縮小的同時(shí)保持像素單元的靈敏度。此外，如果捕獲到的光能量較低，則必須降低背景噪聲，以有效保持足夠的信噪比。因此，工藝開發(fā)人員必須重點(diǎn)減少半導(dǎo)體材料中固有的熱噪聲和其它噪聲源，以有效提高信噪比。
CMOS傳感器中的每個(gè)像素都有各自的電荷到電壓轉(zhuǎn)換過程。傳感器通常包含放大器、噪聲校正和數(shù)字化電路，這樣芯片輸出的就是數(shù)字比特。這些額外的功能將增加設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，并可能減少可用于光捕獲的面積。由于每個(gè)像素都進(jìn)行各自的轉(zhuǎn)換，所以像素與像素之間的一致性比較差。但通過利用片上邏輯，可以構(gòu)建一個(gè)僅需少量外圍電路就能實(shí)現(xiàn)基本操作的芯片。
CCD傳感器的工藝不像CMOS那樣靈活，大多數(shù)CCD傳感器需要數(shù)量可觀的外部支持電路。在不惜犧牲系統(tǒng)尺寸而追求圖像質(zhì)量(用量子效率和噪聲來衡量)的照相、科學(xué)以及工業(yè)應(yīng)用中，傳統(tǒng)上由CCD傳感器提供性能基準(zhǔn)。
使用CMOS和CCD傳感器的應(yīng)用類型沒有明顯的分界線。當(dāng)CMOS設(shè)計(jì)工程師花大力氣提高圖像質(zhì)量時(shí)，CCD設(shè)計(jì)工程師則將重點(diǎn)放在減少功耗和像素尺寸上，以便在低端產(chǎn)品市場中與CMOS器件一決高低。CMOS傳感器的主要優(yōu)勢是成本低，因?yàn)樗梢圆捎弥髁鞯腃MOS制造工藝。
高端成像應(yīng)用領(lǐng)域主要采用1,400至8,100萬以上像素的CCD成像器件。在500萬到1,400萬像素的應(yīng)用中，CMOS和CCD成像器都可以選用，但更多的還是CMOS解決方案。低于500萬像素的CCD成像器仍有一些，但隨著CMOS成像器完全占領(lǐng)這部分市場，這種CCD成像器將變得越來越少。
CMOS傳感器的最新技術(shù)
Foveon公司采用了一種很獨(dú)特的CMOS成像器設(shè)計(jì)方法。它并不采用覆蓋了顏色過濾層的單層像素，而是采用硅片中共有三層像素的X3架構(gòu)(圖2)。這種直接圖像傳感技術(shù)可以在單次曝光過程中直接捕獲圖像中每個(gè)點(diǎn)的紅光、綠光和藍(lán)光，因此單個(gè)像素區(qū)域就能捕獲全部三原色。相反，大多數(shù)CMOS和CCD傳感器在像素頂部使用顏色過濾層，這些顏色過濾層形成馬賽克形狀的三像素簇，以捕獲三原色。Foveon公司的方案基于不同波長的光在硅片中不同深度處被吸收這一原理，因此每個(gè)垂直堆疊的紅、綠和藍(lán)像素可以直接捕獲圖像中每個(gè)點(diǎn)的所有光。

圖2：這種由Foveon公司開發(fā)的直接圖像傳感器技術(shù)類似于彩色底片。它在硅片
上堆疊三個(gè)特定于顏色的像素層，而不是在傳統(tǒng)的X-Y柵格上分布像素，它不再需要顏色過濾層來分離顏色。
最大的X3傳感器有1,000萬個(gè)像素。其垂直堆疊的像素要比采用顏色過濾層的傳統(tǒng)X-Y陣列小很多。這種傳感器消耗的功率也很少，非常適合許多數(shù)字靜止照相機(jī)(DSC)。它采用2.5V供電，讀數(shù)據(jù)時(shí)的功耗為50mW，待機(jī)和斷電時(shí)的功耗分別為10mW和0.1mW
一個(gè)像素區(qū)域能夠處理三個(gè)像素層的工作。由于像素尺寸可以改變，所以這種傳感器能夠在兩種模式之間無縫切換，一種模式是以最大分辨率捕獲靜止圖像，一種模式是以較低分辨率捕獲數(shù)字視頻。這種模式切換是通過控制信號將相鄰像素組成1×2、2×2或4×4等這樣的像素簇而實(shí)現(xiàn)的。
像素簇越大，靈敏度就越高，這是因?yàn)橛懈嗟南袼厥占瘉碜詧D像中同一個(gè)點(diǎn)的光。在全分辨率模式下，傳感器的捕捉速率為4.4幀/秒，而在576×384像素分辨率模式中，捕捉速率高達(dá)25幀/秒。 成像芯片上的附加電路為系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師提供了高度靈活的片上讀出系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以簡化數(shù)字縮放、場景測光等功能的實(shí)現(xiàn)。該芯片還可以通過軟件實(shí)現(xiàn)被Foveon稱為填光(Fill Light)的功能，從而大大提高受復(fù)雜光線條件影響的圖像質(zhì)量。在該方案中，軟件可以模擬在陰影區(qū)域增加額外光照的同時(shí)保留高亮區(qū)域細(xì)節(jié)的攝影技術(shù)。
雖然這些高分辨率傳感器代表了業(yè)界目前最高水平，但高昂的價(jià)格使它們被手機(jī)、網(wǎng)絡(luò)相機(jī)和消費(fèi)級靜止圖像照相機(jī)(一般在600萬像素以下)等大眾市場產(chǎn)品拒之門外。但隨著傳統(tǒng)CMOS傳感技術(shù)的發(fā)展，CMOS傳感器的分辨率和靈敏度在不斷提高，與此同時(shí)芯片尺寸也在進(jìn)一步縮小以降低芯片成本。
賽普拉斯公司的CYIHDSC9000AA是一款用于高端消費(fèi)類DSC的900萬像素彩色傳感器，它采用130nm設(shè)計(jì)工藝標(biāo)準(zhǔn)，可以提供6.4μm的像素間距。該傳感器能夠滿足高級攝影標(biāo)準(zhǔn)要求，成像陣列由3710×2434像素組成，占用面積為23.3×15.5mm2。這種產(chǎn)品能夠支持的有效焦距是全幀35mm照相機(jī)的1.5倍。賽普拉斯公司還提供單色版的傳感器。彩色傳感器在全分辨率下可以支持5幀/秒的速率，在VGA分辨率下可支持20幀/秒的速率。
在最近舉行的IEEE國際固態(tài)電路會(huì)議(ISSCC)上，索尼發(fā)布的一款640萬像素圖像傳感器據(jù)稱能支持60幀/秒的最高幀速率。該芯片的Z字型4像素共享機(jī)制提供了高效的1.75晶體管/像素架構(gòu)。片上10位計(jì)數(shù)器類型列并行ADC提供數(shù)字化的像素?cái)?shù)據(jù)。由于采用180nm設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)制造，像素只有2.5μm2。此外，成像陣列可以在全幀和2×2組合模式之間切換，無需插入額外的無效幀，從而可避免集成時(shí)間不一致。
三星也在ISSCC上展示了略大一些的720萬像素傳感器。該傳感器也使用4像素共享結(jié)構(gòu)，但它采用了130nm設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和鑲銅工藝，能有效降低像素高度，并提高光學(xué)效率。

500萬像素成主流
對主流DSC應(yīng)用來說，500萬像素分辨率的傳感器將在消費(fèi)類大眾市場中占據(jù)主要份額。同時(shí)，照相手機(jī)也將采用CMOS傳感器，這意味著2006年的高端手機(jī)將集成500萬像素的成像器。
柯達(dá)、美光和OmniVision Technology公司是500萬像素傳感器的主要提供商。最近在拉斯維加斯舉辦的消費(fèi)電子展中，新創(chuàng)的Planet82公司展示了一種基于納米技術(shù)的新型500萬像素傳感器，該傳感器能夠在極低的光強(qiáng)環(huán)境下工作。
去年底柯達(dá)推出了KAC-5000。這款500萬像素的傳感器采用1/1.8英寸的光學(xué)格式，目標(biāo)市場是主流DSC。它采用2.7μm2的像素和柯達(dá)創(chuàng)新的Pixelux技術(shù)，該技術(shù)將小型光電二極管、四晶體管像素和共享像素架構(gòu)結(jié)合在一起，以便在低光照條件下提供很高靈敏度。該傳感器在全分辨率模式下的捕獲速率為6幀/秒，在VGA分辨率下的速率超過30幀/秒。
使小型光電二極管以地為基準(zhǔn)可以降低暗電流。為改善頻譜響應(yīng)性能，傳感器通過真正的相關(guān)雙倍采樣機(jī)制消除熱源噪聲。因?yàn)楣蚕硐袼丶軜?gòu)允許進(jìn)行組合，所以4個(gè)相鄰像素可以組合起來形成較大的像素，以在低光照條件下更好地捕獲圖像。動(dòng)態(tài)功耗比較適中，約150mW。但0.5mW的待機(jī)功耗卻為美光和OmniVision器件的10倍左右。
美光的 500萬像素傳感器MT9P001，采用更大的1/2.5英寸光學(xué)格式，能夠以12幀/秒的速率捕捉全分辨率圖像，或者以30幀/秒的速率捕捉VGA分辨率的視頻。MT9P001基于該公司的Digital-Clarity技術(shù)，其功耗不超過260mW，非常適合DSC和手機(jī)應(yīng)用。
被配置成2592×1944單元的2.2μm2的小像素，能使芯片的暗電流保持在每秒僅20個(gè)電子，從而使背景噪聲降至最低。小尺寸像素還可以轉(zhuǎn)換成只有5.7×4.28mm2大小的小塊成像區(qū)域，而且60dB的動(dòng)態(tài)范圍比柯達(dá)器件的52dB高出許多。
MT9P001還配置有片上12位ADC，因此可以直接向主機(jī)系統(tǒng)提供數(shù)字化數(shù)據(jù)。電子旋轉(zhuǎn)快門能使芯片能夠快拍或捕獲連續(xù)視頻。另外，這款成像芯片還直接集成可編程增益、幀速<