圖像傳感器及其發(fā)展趨勢(shì)研究

1、目錄緒論.21 CCD圖像傳感器.21.1 CCD圖像傳感器優(yōu)點(diǎn).2 1.2 CCD圖像傳感器產(chǎn)品.3 1.3 CCD圖像傳感器發(fā)展現(xiàn)狀.42 CMOS圖像傳感器.6 2.1 結(jié)構(gòu)及工作原理.6 2.2 CMOS圖像傳感器優(yōu)點(diǎn).7 2.3 CMOS圖像傳感器產(chǎn)品.8 2.4 CMOS圖像傳感器的研究現(xiàn)狀.93 CCD與CMOS傳感器的比較.114 發(fā)展趨勢(shì).13緒論 隨著科技的發(fā)展，不斷產(chǎn)生的新技術(shù)，如納米技術(shù)、半導(dǎo)體制造技術(shù)等，使得電路集成的規(guī)模日益龐大，導(dǎo)致數(shù)碼技術(shù)的革新越來(lái)越快。目前，人們?cè)跀?shù)碼產(chǎn)品上的消費(fèi)比例越來(lái)越高，對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量和個(gè)人體驗(yàn)要求越來(lái)越苛刻。大多數(shù)的數(shù)碼產(chǎn)品，現(xiàn)在都有照像

2、和攝像功能，像素由原先的幾十萬(wàn)，發(fā)展到400、500萬(wàn)甚至更高。作為照相機(jī)和攝像機(jī)的主要感光部分，圖像傳感器的發(fā)展尤為迅速。以產(chǎn)品類別區(qū)分，圖像傳感器產(chǎn)品主要分為CCD（Charge Coupled Device，電荷耦合元件）、CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor，金屬氧化物半導(dǎo)體元件）及CIS傳感器三種。根據(jù)元件的不同，可分為CCD和CMOS兩大類。1 CCD圖像傳感器 CCD于1969年在貝爾試驗(yàn)室研制成功，之后由日商等公司開(kāi)始量產(chǎn)，其發(fā)展歷程已經(jīng)將近30多年，從初期的10多萬(wàn)像素已經(jīng)發(fā)展至目前主流應(yīng)用的500萬(wàn)像素。CCD又可分為線型

3、（Linear）與面型（Area）兩種，其中線型應(yīng)用于影像掃瞄器及傳真機(jī)上，而面型主要應(yīng)用于數(shù)碼相機(jī)、攝錄影機(jī)、監(jiān)視攝影機(jī)等多項(xiàng)影像輸入產(chǎn)品上。1.1 CCD圖像傳感器優(yōu)點(diǎn)一般認(rèn)為，CCD傳感器有以下優(yōu)點(diǎn)： 高解析度（High Resolution）：像點(diǎn)的大小為m級(jí)，可感測(cè)及識(shí)別精細(xì)物體，提高影像品質(zhì)。從早期1寸、1/2寸、2/3寸、1/4寸到最近推出的1/9寸，像素?cái)?shù)目從初期的10多萬(wàn)增加到現(xiàn)在的400500萬(wàn)像素。低雜訊（Low Noise）高敏感度：CCD具有很低的讀出雜訊和暗電流雜訊，因此提高了信噪比（SNR），同時(shí)又具高敏感度，很低光度的入射光也能偵測(cè)到，其訊號(hào)不會(huì)被掩蓋，使CCD

4、的應(yīng)用較不受天候拘束。 動(dòng)態(tài)范圍廣（High Dynamic Range）：同時(shí)偵測(cè)及分辦強(qiáng)光和弱光，提高系統(tǒng)環(huán)境的使用范圍，不因亮度差異大而造成信號(hào)反差現(xiàn)象。 良好的線性特性曲線（Linearity）：入射光源強(qiáng)度和輸出訊號(hào)大小成良好的正比關(guān)系，物體資訊不致?lián)p失，降低信號(hào)補(bǔ)償處理成本。高光子轉(zhuǎn)換效率（High Quantum Efficiency ）：很微弱的入射光照射都能被記錄下來(lái)，若配合影像增強(qiáng)管及投光器，即使在暗夜遠(yuǎn)處的景物仍然還可以偵測(cè)得到。大面積感光（Large Field of View）：利用半導(dǎo)體技術(shù)已可制造大面積的CCD晶片，目前與傳統(tǒng)底片尺寸相當(dāng)?shù)?5mm的CCD已經(jīng)開(kāi)始

5、應(yīng)用在數(shù)碼相機(jī)中，成為取代專業(yè)有利光學(xué)相機(jī)的關(guān)鍵元件。光譜響應(yīng)廣（Broad Spectral Response）：能檢測(cè)很寬波長(zhǎng)范圍的光，增加系統(tǒng)使用彈性，擴(kuò)大系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域。 低影像失真（Low Image Distortion）：使用CCD感測(cè)器，其影像處理不會(huì)有失真的情形，使原物體資訊忠實(shí)地反應(yīng)出來(lái)。體積小、重量輕：CCD具備體積小且重量輕的特性，因此，可容易地裝置在人造衛(wèi)星及各式導(dǎo)航系統(tǒng)上。低秏電力，不受強(qiáng)電磁場(chǎng)影響。電荷傳輸效率佳：該效率系數(shù)影響信噪比、解像率，若電荷傳輸效率不佳，影像將變較模糊。可大批量生產(chǎn)，品質(zhì)穩(wěn)定，堅(jiān)固，不易老化，使用方便及保養(yǎng)容易。1.2 CCD圖像傳感器產(chǎn)品

6、 根據(jù)In-Stat在2001年對(duì)全球圖像傳感器的研究報(bào)告中指出，CCD產(chǎn)業(yè)前七大廠商皆為日系廠商，占了全球98.5%的市場(chǎng)份額，在技術(shù)發(fā)展方面，目前較有特色的主要廠商應(yīng)為索尼、飛利普和柯達(dá)公司。 飛利普公司在CCD產(chǎn)品方面的優(yōu)勢(shì)為，具有業(yè)界最大尺寸的CCD傳感器，在數(shù)碼相機(jī)的應(yīng)用中，其35mm尺寸的CCD已經(jīng)應(yīng)用在“Contax”的數(shù)碼相機(jī)中，成為專業(yè)數(shù)碼相機(jī)的代言人。其次該公司還具有獨(dú)特的“Frame-Transfer CCD”（面掃描）技術(shù)，該產(chǎn)品在應(yīng)用中，可實(shí)現(xiàn)每秒30-60幅的速率。這是真正視頻信號(hào)的速度。 柯達(dá)的CCD采用了廣受好評(píng)的ITO CCD技術(shù)，而不是傳統(tǒng)的聚硅化合物。其特

7、點(diǎn)是敏銳度更高，透光性比一般CCD提高了20%，對(duì)于一般CCD感應(yīng)較弱的藍(lán)光以及抗雜訊干擾方面有突破性的改善，其對(duì)藍(lán)光感應(yīng)能力提高了2.5倍，同時(shí)大幅降低了雜訊干擾，使影像更強(qiáng)銳利、色彩更加準(zhǔn)確，為專業(yè)數(shù)碼攝影提供了高解析度、銳利度的影像。 傳統(tǒng)CCD使用的是矩形的感光單元，而富士公司研制的“SuperCCD（超級(jí)蜂窩結(jié)構(gòu)）使用的是八邊形的感光單元，使用了蜂巢的八邊形結(jié)構(gòu)，因此其感光單元面積要高于傳統(tǒng)CCD。這樣會(huì)獲得三個(gè)好處，一是可以提高CCD的感光度、二是提高動(dòng)態(tài)范圍、三是提高了信噪比。這三個(gè)優(yōu)點(diǎn)加上SuperCCD更高的生成像素成為富士公司在數(shù)碼相機(jī)產(chǎn)品上的最大賣點(diǎn)。1.3 CCD圖像傳

8、感器發(fā)展現(xiàn)狀 1.3.1 CCD像元尺寸的縮小與靈敏度的提高 由于像元尺寸的減小, 輸出電壓飽和度和靈敏度也隨之減小, 尤其是像元尺寸減小到2Lm以下, 有很大的靈敏度損失。許多圖像傳感器公司在縮小像元尺寸的同時(shí), 針對(duì)上述問(wèn)題提出了技術(shù)改進(jìn)。比如通過(guò)Si3N4側(cè)墻隔離縮小柵電極間距; 優(yōu)化微透鏡形狀, 采用片上微透鏡、無(wú)縫透鏡、內(nèi)嵌透鏡以及復(fù)合透鏡等技術(shù); 運(yùn)用低寄生電容的設(shè)計(jì)改善轉(zhuǎn)換因子;采用背面光照技術(shù)等, 使飽和電壓和靈敏度得到充分改善。 1.3.2 CCD中暗電流的改善 眾所周知, 器件中界面態(tài)的存在較大地增加了暗電流與暗固定圖案噪聲。一種解決方法是, 采用埋溝器件結(jié)構(gòu), 雖然埋層溝

9、道較好地解決了界面態(tài)的問(wèn)題, 但制造比較復(fù)雜。另一種解決方法是, 利用空穴對(duì)界面態(tài)的填充減小暗電流。當(dāng)界面態(tài)被電荷充滿后, 便不再產(chǎn)生任何暗電流。脈沖調(diào)制CCD一個(gè)像元的柵, 使MOS結(jié)構(gòu)連續(xù)達(dá)到積累模式又返回深耗盡模式, 使界面偏置在積累模式時(shí)吸引足夠的空穴來(lái)填充界面態(tài), 這是利用電荷泵作用( Charge Pumping)來(lái)減小暗電流。這種方法也有一些局限性,主要表現(xiàn)在對(duì)時(shí)鐘與溫度的依賴, 在一個(gè)短暫的時(shí)鐘周期后, 界面態(tài)釋放其中的空穴又開(kāi)始產(chǎn)生暗電流。而MPP(MultiphasePinning) CCD和AGP( All-GatesPinning)結(jié)構(gòu)CCD可以較好的解決這一問(wèn)題。通過(guò)

10、精心的電路設(shè)計(jì)、版圖與加工可以使得MOS結(jié)構(gòu)在積分周期內(nèi)被強(qiáng)制為積累模式。只要CCD工作在積分或者曝光模式, 所有CCD的柵都偏置在低電位, 空穴就會(huì)被吸引到界面處消除由于未填充界面態(tài)而產(chǎn)生的暗電流。由于CCD的電荷傳輸遠(yuǎn)比界面態(tài)的弛豫時(shí)間快得多, 因此傳感器在整個(gè)工作時(shí)期內(nèi), 都可以保持很低的暗電流。相比于以上對(duì)界面態(tài)的暫時(shí)性處理, 永久性地填充界面態(tài)可以解決由其產(chǎn)生的暗電流問(wèn)題?？昭ɡ鄯e二極管( HAD)傳感器感光結(jié)構(gòu)被廣泛采用, 對(duì)界面態(tài)進(jìn)行永久性地填充來(lái)消除暗電流,也被稱作針扎式或掩埋式光電二極管( Pinned or Buried Photodiode)。 1.3.3 當(dāng)今移動(dòng)與視頻

11、應(yīng)用催生CCD性能與技術(shù)進(jìn)一步 進(jìn)入到21世紀(jì)以來(lái), CCD作為光學(xué)傳感部件,被廣泛地應(yīng)用于數(shù)碼相機(jī)與手機(jī)中。伴隨著人們對(duì)成像質(zhì)量的要求越來(lái)越高, 從CCD的噪聲、漏光到抗光暈以及滿足移動(dòng)應(yīng)用的高讀出速率都受到廣泛關(guān)注。為了滿足視頻模式應(yīng)用以及移動(dòng)拍攝的要求, 同時(shí)也需要低功耗、高靈敏度、低成本的百萬(wàn)像元CCD圖像傳感器, 許多圖像傳感器公司相繼提出了改進(jìn)技術(shù)。1.3.4 CCD中出現(xiàn)的一些獨(dú)特的概念、結(jié)構(gòu)與技術(shù)除了在原有的結(jié)構(gòu)和技術(shù)上進(jìn)行改進(jìn), 還提出了一些新穎的概念和方法來(lái)提高CCD的性能。在由更高時(shí)鐘脈沖驅(qū)動(dòng)的輸出寄存器中利用碰撞電離實(shí)現(xiàn)電荷倍增, 可以確保CCD在非常低的光照條件下無(wú)需

12、增強(qiáng)器采集信號(hào)。為提高CCD的響應(yīng)速率, 目前還提出了一種具有電荷存儲(chǔ)和斜線轉(zhuǎn)移的原位存儲(chǔ)圖像傳感器( ISIS)結(jié)構(gòu)的CCD。它不同于存儲(chǔ)區(qū)為并行串( SPS)的ISIS結(jié)構(gòu)CCD,單向傳輸極大地簡(jiǎn)化了柵和金屬連線的結(jié)構(gòu), 因此存儲(chǔ)面積最小, 存儲(chǔ)的串行圖像數(shù)目最大, 被認(rèn)為是ISIS結(jié)構(gòu)的終極設(shè)計(jì)。此結(jié)構(gòu)較大地提高了CCD的響應(yīng)速率, 降低了噪聲, 拍攝幀速接近于存儲(chǔ)CCD的傳輸速率。日本富士公司提出了一種新穎的像元交叉陣列( Pixel Interleaved Array)結(jié)構(gòu)CCD, 也被稱為超級(jí)CCD, 其原理圖如圖3所示。在PIA-CCD中, 相鄰行的像元位移相錯(cuò)1/2交叉排列。像

13、元為八邊形蜂窩狀結(jié)構(gòu), 介于像元間的縱向轉(zhuǎn)移線呈Z型。由于像元結(jié)構(gòu)與微透鏡的圓形結(jié)構(gòu)十分接近, 因此它可以更好地吸收來(lái)自微透鏡的光線。PIA-CCD在圖像的橫向與縱向都提高了分辨率,并且在像元間也不需要連線區(qū), 與傳統(tǒng)的CCD相比,在相同芯片尺寸和像元數(shù)量下, 它的光電二極管尺寸可以更大。目前富士公司已研制了4代PIA-CCD技術(shù), 其像元結(jié)構(gòu)如圖4所示, 第4代技術(shù)CCD中每個(gè)微透鏡都帶有兩個(gè)光電二極管, 分別捕捉黑色、正常光線標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)和更高亮度的光信號(hào), 再合成得到一張完整的照片。此技術(shù)將動(dòng)態(tài)范圍提升為傳統(tǒng)CCD的兩倍甚至更高。2 CMOS圖像傳感器CMOS圖像傳感器的研究始于20世紀(jì)60

14、年代末，受當(dāng)時(shí)工藝技術(shù)的限制，發(fā)展和應(yīng)用有限。直到20世紀(jì)90年代初，隨著大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)技術(shù)和信號(hào)處理技術(shù)的提高，CMOS圖像傳感器才日益受到重視，成為固體圖像傳感器的研發(fā)熱點(diǎn)。近幾年來(lái)，隨著集成電路設(shè)計(jì)技術(shù)和工藝水平的長(zhǎng)足進(jìn)步，CMOS圖像傳感器的一些性能指標(biāo)已接近甚至超過(guò)CCD圖像傳感器。2.1 結(jié)構(gòu)及工作原理CMOS 圖像傳感器的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，一般由像素陣列、行選通邏輯、列選通邏輯、定時(shí)和控制電路、在片模擬信號(hào)處理器（ASP）構(gòu)成，高級(jí)的CMOS 圖像傳感器還集成有在片模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）。行選通邏輯和列選通邏輯可以是移位寄存器，也可以是譯碼器，其中的行選通邏輯單元可以對(duì)像素陣

15、列逐行掃描也可隔行掃描。行選通邏輯單元與列選通邏輯單元配合使用可以實(shí)現(xiàn)圖像的窗口提取功能。定時(shí)和控制電路限制信號(hào)讀出模式、設(shè)定積分時(shí)間、控制數(shù)據(jù)輸出率等。在片模擬信號(hào)處理器是完成相關(guān)雙取樣、信號(hào)積分、放大、取樣/保持、 取樣等功能，對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大處理，提高信噪比（SNR）。在片模數(shù)轉(zhuǎn)換器是數(shù)字成像系統(tǒng)所必需的，CMOS 圖像傳感器可以是整個(gè)成像陣列有一個(gè)ADC或幾個(gè)ADC（每種顏色一個(gè)），也可以是成像陣列每列各一個(gè)。外界光照射像素陣列，發(fā)生光電效應(yīng)，在像素單元內(nèi)產(chǎn)生相應(yīng)的電荷。行選通邏輯單元根據(jù)需要，選通相應(yīng)的行像素單元。行像素單元內(nèi)的圖像信號(hào)通過(guò)各自所在列的信號(hào)總線傳輸?shù)綄?duì)應(yīng)的模擬信號(hào)處理單

16、元以及ADC，轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像信號(hào)輸出。與CCD相比，這種結(jié)構(gòu)提供了隨機(jī)進(jìn)入像元、以非常高的幀速率直接開(kāi)窗口的能力，同時(shí)避免了CCD中大量電荷轉(zhuǎn)移很長(zhǎng)距離的情況。2.2 CMOS圖像傳感器優(yōu)點(diǎn) 高分辨率 Photon Vision Systems公司于2002年4月開(kāi)發(fā)出一種CMOS 圖像傳感器，它具有830萬(wàn)像素（3840×2160）的分辨率，比高清晰度電視的分辨率高4倍，比標(biāo)準(zhǔn)電視的分辨率高32倍。AptinaImaging于2008年9月發(fā)布了一款用于數(shù)碼相機(jī)、數(shù)字視頻和混合相機(jī)的新型千萬(wàn)像素CMOS圖像傳感器MT9J00133。MT9J001擴(kuò)充了Aptina的高分辨率產(chǎn)品陣容

17、，帶來(lái)了更高的圖像質(zhì)量和500萬(wàn)像素（MT9P001）、800像素（MT9E001）及900像素（MT9N001）等高清視頻捕捉性能。高幀速 由于CMOS 圖像傳感器具有訪問(wèn)靈活的優(yōu)點(diǎn), 所以可以通過(guò)只讀出感光面上感興趣的很小區(qū)域來(lái)提高幀速率。斯坦福大學(xué)PDC（Programmable Digital Camera）研究小組開(kāi)發(fā)的單片PDC, 在352×288分辨率下, 其掃描速度可達(dá)10000 f/s；Dalsa公司宣稱其生產(chǎn)的CMOS 圖像傳感器掃描速度最高可達(dá)20000 f/s；Micron公司的MT9M413C36ST 在1280×1024分辨率下可以達(dá)到0500

18、f/s 的幀速率, 部分掃描時(shí)可達(dá)10000 f/s；賽普拉斯半導(dǎo)體公司（Cypress）推出的幾款高速CMOS 圖像傳感器，分辨率涵蓋VGA 級(jí)到1000萬(wàn)像素的范圍，而速度則支持500 f/s到10000 f/s。寬動(dòng)態(tài)范圍 以色列工業(yè)大學(xué)（Israel Instituteof Technology）的VLSI 系統(tǒng)研究中心將用于CCD的自適應(yīng)敏感技術(shù)用于CMOS傳感器中，使CMOS傳感器的整個(gè)動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)84 dB, 并在一個(gè)64×64的芯片上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。意法半導(dǎo)體有限公司(ST)于2008年開(kāi)發(fā)出動(dòng)態(tài)范圍高達(dá)120 dB的車載CMOS圖像傳感器VL-5510，無(wú)論是在進(jìn)出隧道

19、時(shí)明暗急驟變化的情況下還是在暗處，VL5510均可無(wú)損提供影像信息。低噪聲 目前用于科學(xué)研究的高性能CCD能達(dá)到的噪聲水平為35個(gè)電子, 而CMOS 圖像傳感器則為300500個(gè)電子。NASA的JPL實(shí)驗(yàn)室采用APS技術(shù)的圖像傳感器的噪聲水平已達(dá)到14個(gè)電子。強(qiáng)抗輻射能力 比利時(shí)IMEC公司與歐洲太空總署（ESA）合作研究的IRIS 系列產(chǎn)品，其抗輻射能力為20krad ,信噪比為67dB ,8位數(shù)字讀出,已用于小衛(wèi)星的星敏感器； 賽普拉斯半導(dǎo)體公司（Cypress） 同歐洲太空總署合作開(kāi)發(fā)的STAR 系列輻射加固APS,在100 kGy 劑量的Co-60輻射下,暗電流密度不大于1.5 mA/

20、cm2, 其抗輻射能力比普通的圖像傳感器提高了3個(gè)數(shù)量級(jí)，除了能夠用于宇航行星跟蹤器和太陽(yáng)傳感器等航空領(lǐng)域外，STAR系列APS還可以在核電廠等其他輻射強(qiáng)度較高的場(chǎng)合中一展身手。多功能、智能化、單芯片數(shù)字相機(jī) CMOS圖像傳感器的最大優(yōu)勢(shì)是它具有高集成度的技術(shù)條件。理論上，所有圖像傳感器所需的功能，例如，垂直位移、水平位移、時(shí)序控制、相關(guān)雙采樣、模數(shù)轉(zhuǎn)換等，都可集成在一塊芯片上，制成單芯片相機(jī)，而超大規(guī)模集成電路技術(shù)使這種集成成為可能。近年的APS 芯片產(chǎn)品除集成有模擬信號(hào)處理功能的電路外，模數(shù)轉(zhuǎn)換和外圍接口的集成使芯片的智能化程度更高，使單芯片數(shù)字相機(jī)的概念更加明確。2.3 CMOS圖像傳感

21、器產(chǎn)品 20世紀(jì)90年代，CMOS圖像傳感器開(kāi)始發(fā)展，至今已研制出3大類CMOS圖像傳感器，包括CMOS無(wú)源像素傳感器(CMOS-PPS)，CMOS有源像素傳感器(CMOS-APS)和CMOS數(shù)字傳感器(CMOS-DPS)。發(fā)展最快的是CMOS-PPS和8/12 CMOS-APS，其攝像器件已經(jīng)進(jìn)入商品化和實(shí)用化階段 正因?yàn)榇?，目前投入研發(fā)、生產(chǎn)的廠商較多，美國(guó)有30多家，歐洲家，日本約8家，韓國(guó)1家，臺(tái)灣有8家。目前研發(fā)CMOS圖像傳感器的公司有：光子視覺(jué)系統(tǒng)公司，美光，OmniVision，IMEC，VLST Vision，Kodak，Cypress，Photobit，東芝，夏普，惠普，富

22、士，Pinkhill，F(xiàn)oveon，Cannon，Sony等。而居全球翹楚地位的廠商是Agilent(HP)，其市場(chǎng)占有率51%、ST(VLSI Vision)占16%、Omni Vision占13%、現(xiàn)代占8%、Photobit約占5%，這五家合計(jì)市占率達(dá)93%。很多公司主要以開(kāi)發(fā)CMOS-APS圖像傳感器為主，目的在于提高CMOS圖像傳感器的綜合性能、縮小尺寸、調(diào)整工藝參數(shù)和完善其性能，從而實(shí)現(xiàn)低成本、低功耗、低噪聲、高集成度、高動(dòng)態(tài)范圍、高填充系數(shù)、高分辨率和高智能化等特點(diǎn)。表1列出了以上幾款CMOS圖像傳感器的綜合情況。根據(jù)In-Stat統(tǒng)計(jì)資料顯示，CMOS傳感器的全球銷售額到200

23、4年可望突破18億美元，CMOS將以62%的年復(fù)合成長(zhǎng)率快速成長(zhǎng)，逐步侵占CCD器件的應(yīng)用領(lǐng)域。特別是在去年快速發(fā)展的手機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域中，以CMOS圖像傳感器為主的攝相模塊將占領(lǐng)其80%以上的應(yīng)用市場(chǎng)。2.4 CMOS圖像傳感器的研究現(xiàn)狀2.4.1國(guó)外研究現(xiàn)狀目前CM0S圖像傳感器的研究熱點(diǎn)主要有以下幾個(gè)方面：(1)多功能、智能化。傳統(tǒng)的圖像傳感器僅局限于獲取被攝對(duì)象的圖像圖像的傳輸和處理需要單獨(dú)的硬件和軟件來(lái)完成。由于CMOS圖像傳感器在系統(tǒng)集成上的優(yōu)點(diǎn)?？梢詮南到y(tǒng)級(jí)水平來(lái)設(shè)計(jì)芯片。如可以在芯片內(nèi)集成相應(yīng)的功能部件應(yīng)用于特定領(lǐng)域，如Trailschip公司開(kāi)發(fā)的高質(zhì)量手機(jī)用攝像機(jī)內(nèi)部集成了ISP

24、，并整合了JPEG圖像壓縮功能。也可以從通用角度考慮，在芯片內(nèi)部集成通用微處理器(如Trimedia Processor)。為了消除數(shù)字圖像傳輸?shù)钠款i，還可以將高速圖像傳輸技術(shù)(如Firewire、USB、基于LVDS的高速并行傳輸)集成到同一塊芯片上。形成片上系統(tǒng)型數(shù)字相機(jī)(Digital Camera System OilChip)和智能CMOS圖像傳感器(Intelligent CMOSImage Seilsor)。斯坦福大學(xué)的PDC(ProgrammableDigital Camera)研究小組和一些專業(yè)廠商合作，在新的圖像處理算法、體系結(jié)構(gòu)、電路設(shè)計(jì)以及單片PDC的研究方面取了一些令

25、人矚目的果。 (2)高幀速率。由于CMOS圖像傳感器具有訪問(wèn)靈活的優(yōu)點(diǎn)，所以可以通過(guò)只讀出感光面上感興趣的很小區(qū)域來(lái)提高幀速率。同時(shí)，CMOS圖像傳感器本身在動(dòng)態(tài)范圍和光敏感度上的提高也有利于幀速率的提高。國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的LM9630可達(dá)到600幀s的速度；斯坦福大學(xué)PDC(ProgrammableDigital Camera)研究小組開(kāi)發(fā)的單片PDC，在352x288分辨率下，其掃描速度可達(dá)10 000幀s；Dalsa公司宣稱其生產(chǎn)的CMOS圖像傳感器掃描速度最高可達(dá)20 000幀s：Micron公司的MT9M413C36ST在1 280xl 024分辨率下可以達(dá)到0500幀s的幀速率，

26、部分掃描時(shí)可達(dá)10 000幀s。(3)寬動(dòng)態(tài)范圍。以色列工業(yè)大學(xué)(Israel Instituteof Technology)的VLSI系統(tǒng)研究中心將用于CCD的自適應(yīng)敏感技術(shù)用于CMOS傳感器中，使CMOS傳感器的整個(gè)動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)84 dB并在一個(gè)6464的芯片上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。NASA的JPL實(shí)驗(yàn)室也致力于將CCD的工作模式用于CMOS圖像傳感器中。(4)高分辨率。目前CMOS圖像傳感器最高分辨率可達(dá)3 170x2 120像素約616萬(wàn)像素。(5)低噪聲技術(shù)。目前用于科學(xué)研究的高性能CCD能達(dá)到的噪聲水平為35個(gè)電子，而CMOS圖像傳感器則為300 500個(gè)電子。JPL實(shí)驗(yàn)室采用APS技術(shù)的圖

27、像傳感器能達(dá)到14個(gè)電子。(6)模塊化、低功耗。由于CMOS圖像傳感器便于小型化和系統(tǒng)集成所以可以根據(jù)特定應(yīng)用場(chǎng)合，相關(guān)的功能集成在一起。并通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)一步降低功耗。如Fujitsu公司生產(chǎn)的MB86S02A成像模塊，在每秒拍攝15幅畫面的情況下，功耗僅為15 mW 。2.4.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀為了在CMOS 圖像傳感器技術(shù)領(lǐng)域占有一席之地，國(guó)內(nèi)的西安交通大學(xué)、華北工學(xué)院、中國(guó)科學(xué)院微電子研究中心、北京思比科微電子公司、文嘩科技香港有限公司、聯(lián)想企業(yè)集團(tuán)等單位都開(kāi)展了CMOS 圖像傳感器的設(shè)計(jì)、研制和應(yīng)用開(kāi)發(fā)等工作，并取得了較大的進(jìn)展。西安交通大學(xué)開(kāi)元微電子科技有限公司已研制成功了369 &#

28、215;287，768 ×574，640 ×480，512 ×512 像素CMOS 圖像傳感器，像素尺寸均為10.8 m×10.8 m，功耗為150200 mW，并且用該器件開(kāi)發(fā)出了M-N型系列CMOS 微型攝像機(jī)和可視電話。北京中星科技有限公司在推出30 萬(wàn)130 萬(wàn)像素CMOS 數(shù)碼相機(jī)的基礎(chǔ)上，2001 年3 月開(kāi)發(fā)出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)及國(guó)際一流水準(zhǔn)的百萬(wàn)級(jí)CMOS 數(shù)碼圖像處理芯片“星光一號(hào)”。2001 年5 月該芯片實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化并投入國(guó)際市場(chǎng)，并為三星、飛利浦和富士通等國(guó)際知名品牌視頻攝像頭所采用。2002 年5 月，公司的微型數(shù)碼相機(jī)用單芯片CM

29、OS 圖像處理芯片被列為北京市重大高新技術(shù)成果轉(zhuǎn)化項(xiàng)目。2002 年9 月，公司又研制成功了我國(guó)第一枚具有世界領(lǐng)先水平的發(fā)聲圖像處理芯片“星光二號(hào)”，該芯片首次將音頻和視頻固化一體并同步工作。北京思比科微電子公司擁有6 項(xiàng)發(fā)明專利的200萬(wàn)像素CMOS 攝像芯片，已于2006 年3 月通過(guò)技術(shù)測(cè)試。該芯片從設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)到芯片制造的全部工作均在國(guó)內(nèi)完成，完全實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化。公司于2007 年3月開(kāi)發(fā)成功了中國(guó)第一款320 萬(wàn)像素（QXGA）CMOS攝像芯片。該芯片在圖像清晰度、色彩鮮明度、功耗等主要技術(shù)指標(biāo)上均達(dá)到或超過(guò)了國(guó)外同類產(chǎn)品的技術(shù)水平，性能價(jià)格比達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。該芯片的研制成功，首次實(shí)現(xiàn)了

30、國(guó)內(nèi)在該領(lǐng)域的技術(shù)突破，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白，打破了國(guó)外在該領(lǐng)域的長(zhǎng)期技術(shù)壟斷。重慶大學(xué)和重慶光電技術(shù)研究所與眾不同，他們主要研制和開(kāi)發(fā)CMOS 多路傳感器，該器件主要作致冷型和非致冷型紅外焦平面陣列（IRFPA）的信號(hào)讀出電路。3 CCD與CMOS傳感器的比較 CMOS圖像傳感器和CCD在光檢測(cè)方面都是利用了硅的光電效應(yīng)原理，不同點(diǎn)在于像素光生電荷的讀出方式。CCD是通過(guò)垂直和水平CCD轉(zhuǎn)移輸出電荷而在CMOS圖像傳感器中， 電壓通過(guò)與DRAM存儲(chǔ)器類似的行列解碼讀出。CM0S與CCD圖像傳感器在結(jié)構(gòu)、工作方式和制造工藝兼容程度上的差別，使得CMOS圖像傳感器具有CCD所不具有的一些優(yōu)點(diǎn)：(1)C

31、MOS圖像傳感器能將光電檢測(cè)器、電荷電壓轉(zhuǎn)化單元、復(fù)位和選擇晶體管、電壓放大器以及數(shù)模(ADC)轉(zhuǎn)換電路集成在一塊芯片里，整個(gè)陣列使用簡(jiǎn)單的 y排位技術(shù)，輸出信號(hào)由列和行讀取電路構(gòu)成這些外圍電路也可以集成在芯片內(nèi)，因此CMOS圖像傳器輸出的數(shù)字信號(hào)可以直接進(jìn)行處理。(2)CMOS電路的基本特性是靜態(tài)功耗幾乎為零 只有在電路接通時(shí)才有電能的消耗。另外CMOS電路只需單一電壓供電，而CCD是大電容器件，驅(qū)動(dòng)電路的功耗大，且需多相時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)81，因此CM0S圖像傳感器的耗電量只有普通的由二極管組成的CCD圖像傳感器的110左右。(3)隨著CMOS工藝的發(fā)展，CMOS晶體管變得越來(lái)越小，CMOS象素尺寸

32、也隨之變小，可以將放大器、ADC甚至影像數(shù)字信號(hào)處理電路集成在芯片上，故CMOS集成度高。(4)CMOS制造成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成品率高，使CM0S圖像傳感器在價(jià)格上與CCD圖像傳感器相比具有優(yōu)勢(shì)。(5)由于CCD的像素由MOS電容構(gòu)成，電荷激發(fā)的量子效應(yīng)易受輻射線的影響：而CMOS圖像傳感器的像素由光電二極管構(gòu)成，因此CMOS圖像傳感器的抗輻射能力比CCD大十多倍，有利于軍用和強(qiáng)輻射應(yīng)用。(6)CMOS圖像傳感芯片除了可見(jiàn)光，對(duì)紅外光也非常敏感，在890980 nm范圍內(nèi)其靈敏度遠(yuǎn)高于CCD圖像傳感芯片的靈敏度，并且隨波長(zhǎng)增加而衰減的梯度也相對(duì)較慢。如能設(shè)計(jì)制造出在l3 m波長(zhǎng)范圍內(nèi)敏感的CM

33、OS圖像芯片，則CIS在夜戰(zhàn)和夜間監(jiān)控上將有更廣泛的應(yīng)用。進(jìn)入90年代隨著多媒體市場(chǎng)的不斷擴(kuò)大，對(duì)圖像傳感器的應(yīng)用要求也越來(lái)越高。對(duì)于許多成像系統(tǒng)，將驅(qū)動(dòng)電路和信號(hào)處理電路集成在圖像傳感器上以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)小型化和接口簡(jiǎn)單化已變得越來(lái)越重要。同時(shí)，人們需要一種新的數(shù)字圖像獲取系統(tǒng)，能夠直接將電視和照相2種圖像輸入到個(gè)人電腦中進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。為此，人們希望有一種圖像傳感器，它具有簡(jiǎn)單的時(shí)鐘、單一的電源、可隨機(jī)快速讀取圖像信息、低系統(tǒng)功耗、低成本等優(yōu)點(diǎn)，以滿足成像系統(tǒng)小型化、數(shù)字化發(fā)展的需求。利用CMOS工藝技術(shù)制造的CMOS圖像傳感器，可以將圖像傳感器陣列、驅(qū)動(dòng)電路和信號(hào)處理電路、模擬，數(shù)字轉(zhuǎn)換器、改進(jìn)的界面完全集成在一起在制造上，CMOS傳感器的加工采用的