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。更先進的制造工藝還實現(xiàn)了更低的成本。此外,創(chuàng)新架構也正在給電路設計帶來更大的靈活性和通用性。 其結果是,圖像傳感器現(xiàn)已被廣泛用于手機、筆記本和膝上電腦、數碼相機、視頻游戲機、玩具、醫(yī)療設備、汽車、安全設備、工業(yè)設備和許多其它應用。IC Insights公司預測,CMOS和CCD圖像傳感器在今后5年內的年復合增長率(CAGR)將達到14%.這兩種類型圖像傳感器都已找到廣泛的應用,但CMOS圖像傳感器前景尤其好,預計到2012年,它所占的市場份額將從去年的58%上升到73%. 與大多數電子設備一樣,性能和成本將仍然是CMOS和CCD圖像傳感器面臨的主要問題。雖然CMOS圖像傳感器預計會有更多的應用,但在要求高性能的應用中仍要求使用CCD圖像傳感器。這不是簡單的哪種圖像傳感器更好的問題。根據具體應用對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,因此毫無疑問在許多強調低成本的消費電子產品中都能找到CMOS圖像傳感器。它的性能一直在不斷地提高,現(xiàn)在它已經進入了傳統(tǒng)上被CCD圖像傳感器一統(tǒng)江山的汽車安全應用中,因為它的性能可以讓人接受,而且成本又更低。 CCD圖像傳感器具有更高的性能,可以滿足工業(yè)和機器視覺檢查應用、以及安全系統(tǒng)、科學與軍事航空應用的要求。它們也在一些縫隙市場找到了應用,如天文和醫(yī)療等專業(yè)領域。CCD圖像傳感器的成本也在不斷下降,但性能仍遠超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(如更大帶寬和全幀快門能力)決定的許多系統(tǒng)要求。新的設計和制造建議及其實現(xiàn)將推動它們的性能變得更高。 美國NASA的噴氣推進實驗室(JPL)提出的一種新想法將有效地降低圖像傳感器的散射串擾。研究人員建議在每個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)。他們認為,這種隔離可以同時優(yōu)化MOSFET和光敏二極管的性能,消除或顯著降低串擾與噪聲,同時提高靈敏度、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井結構,可以顯著降低串擾,提高成像器的總體敏感度和色彩保真性。 在經常出現(xiàn)的困難和不利條件下完成圖像同步和操作(特別在機器視覺自動化檢查應用中),是CMOS圖像傳感器設計師面臨的很大挑戰(zhàn)。業(yè)界傳統(tǒng)上依靠利用行間傳送技術的CCD圖像傳感器來實現(xiàn)高速快門,以獲得清晰的圖像。 最近取得的CMOS圖像傳感器進步已經使這種傳感器能夠成功進入機器視覺應用中。憑借并行輸出、窗口調整和片上集成等優(yōu)勢,一些CMOS圖像傳感器現(xiàn)在已經能夠與某些機器視覺應用中使用的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功能。由于采用了管道式全幀快門像素技術,這種成像系統(tǒng)可以在數據讀取過程中捕捉下一個幀。它的原理是在圖像傳感器的每個像素中集成一個存儲器節(jié)點,在圖像捕捉步驟完成后信號將被傳送到這個節(jié)點。 存儲節(jié)點具有特別低的寄生光敏感性。每個像素讀出時都具有很低的噪聲和很寬的動態(tài)范圍。Cmosis公司還開發(fā)出了安裝在傳感器像素列中的快速ADC. Dalsa公司也開發(fā)出了具有高速快門功能的行間傳送CMOS圖像傳感器。這些傳感器可以提供許多機器視覺應用所要求的敏感度、信號容量、噪聲性能和動態(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,可實現(xiàn)快速快門和高達120dB的寬動態(tài)范圍。該傳感器具有1312×1028像素分辨率,每個像素尺寸是8×8μm,在最高分辨率下的工作速度可達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量變得越來越困難。背面照射技術是其中的一種解決方案。通過與臺積電(TSMC)公司的合作,OmniVision公司相信它已經用OmniBSI方法找到了成功的秘訣(圖2)。OmniVision現(xiàn)在可以用1.4μm工藝為手機生產800萬像素的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。這種技術已被用于OmniVision公司的OmniBSI工藝。 Sony公司在背面照射技術方面也取得了成功。該公司已經用1.75μm工藝生產出了手機、數碼相機和攝像機用的500萬像素CMOS圖像傳感器。ST公司則通過與法國CEA Leti和Tracit Technologies公司的合作,成功展示了利用背面照射技術在1.45工藝上制造300萬像素CMOS圖像傳感器的可行性。 圖像質量在改善 更高性能CMOS圖像傳感器滲透進入消費電子市場的一個明證是ST的首個0.25英寸光學格式315萬像素CMOS圖像傳感器。據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量,對焦距離可短至15厘米(圖3)。 圖3:意法微電子公司的315萬像素VD6853和VD6803 CMOS圖像傳感器可以為手機提供高質量的圖像,并且景深可淺至15厘米。 包含四通道反虛光電路的嵌入式圖像增強濾波器可以平衡不均勻的照明,也可以在攝像時進行缺陷校正。這些圖像傳感器可以用在手機、筆記本相機、玩具、甚至機器視覺應用中。VD683提供10位并行接口,VD6803提供CCP2接口。 最近,韓國三星推出了一款0.25英寸光學格式的120萬像素SoC圖像傳感器,最大分辨率為1280×960像素。用于筆記本和臺式機的S5K4AW CMOS圖像傳感器通過將圖像分成2×2的組來滿足高清晰度實時視頻應用的特殊需求,而且無需修剪就能顯示標準VGA格式的圖像。 在今年的IEEE國際固態(tài)電路會議(ISSCC)上,佳能公司展示的一款330萬像素CMOS圖像傳感器承諾可以為移動設備提供更高質量的視頻和圖像處理能力。這個高性能是通過使用將噪聲降低30%的新的列讀取電路實現(xiàn)的。
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