CMOS影像感測(cè)元件技術(shù)課件

1、CMOS影像感測(cè)元件技術(shù)講師：莊 志 仁日期：2003.03.03.內(nèi)容 :一、影像元件之背景與應(yīng)用概述二、CMOS影像感測(cè)器技術(shù)原理三、測(cè)試技術(shù)四、 CMOS感測(cè)器現(xiàn)況簡(jiǎn)介 五、CMOS Sensor之未來(lái)一、影像元件之背景與應(yīng)用概述CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor，補(bǔ)充性氧化金屬半導(dǎo)體)影像感測(cè)元件之發(fā)展歷程1967 Fairchild Weckler發(fā)表光二極體於反向偏壓下，以積分模 式工作。1968 Weckler發(fā)表100100元件，並成立Reticon公司，英國(guó) Plessey Noble發(fā)表利用MOS Source_fol

2、lower電路作為像 素單元。1970 Fixed Pattern Noise(FPN)之問(wèn)題嚴(yán)重，CCD首度發(fā)表。1970年代末至1980年代，僅少數(shù)廠商持續(xù)進(jìn)行相關(guān)研究。1980年代末，紅外線影像感測(cè)器採(cǎi)用CMOS影像信號(hào)讀出積 體電路。1990 美JPL發(fā)表CMOS APS Image Sensor，並轉(zhuǎn)成立PhotoBit。 英VLSI VISION Ltd.發(fā)展CMOS Image Sensor。2002 1.3M-2M CIS商品化，Camera on a chip技術(shù)已漸成熟。各種影像感測(cè)器之比較EyeCCDCMOSFILMPixels120M3M(Typ.)60M(Record

3、)300K(Typ.)6M(R&D)1M/cm2Pitch2-3m2.5-10m3.5-10m10-20mImage Size3cm1mm-11cm1mm-2cm-Spectral Response400-700nm400-1000nm400-1000nm300-700nmPeak QE 50% 50%-Dynamic Range102 Linear106 Logarithmic104 Linear2103 Linear106 Logarithmic103-104 Non-linearFrame Rate15Hz10kHz 10kHz1 shot onlyPower Dissipation 1

4、mw500mw50mw-CMOS與CCD市場(chǎng)佔(zhàn)有率分析CIS之應(yīng)用分析In 2000, WW CIS market size is 16Mpcs In 2005, WW CIS market size is 237Mpcs 二、CMOS影像感測(cè)器技術(shù)原理Image Process FollowIllumination照明Scene景物L(fēng)ensColour filter arrayImaging arrayFixed pattern Noise correctionBlack Level ControlNoise ReductionColor Image SensorRecovery Engin

5、eencoding影像修補(bǔ)CMOS感測(cè)器技術(shù)信噪比： 影像感測(cè)器的信噪比（SNR）可以用分貝（dB)來(lái)表示，當(dāng) 信號(hào)強(qiáng)度到達(dá)一定強(qiáng)度時(shí)，信噪比並不會(huì)同步增加。但是，如果讓低數(shù)值信號(hào)可以被檢測(cè)到，那麼信噪比就非常重要。色彩敏感度失衡： 彩色畫(huà)素對(duì)不同頻率的入射光有不同的靈敏度，將造成攝取影像的色彩失衡。當(dāng)然，色彩失衡可以用數(shù)位化處理得到補(bǔ)償，卻會(huì)放大類(lèi)比/數(shù)位轉(zhuǎn)換器（ADC）的量化雜訊?，F(xiàn)在的技術(shù)可以解決色彩敏感度失衡的問(wèn)題，同時(shí)將訊號(hào)送到ADC進(jìn)行數(shù)位量化，運(yùn)用色別增益或放大技術(shù)進(jìn)行處理。 CMOS感測(cè)器技術(shù)畫(huà)素大小和填充比感測(cè)器能否攝取低亮度影像將取決於每個(gè)畫(huà)素活動(dòng)（採(cǎi)光）區(qū)的大小，較大的畫(huà)

6、素使影像感測(cè)器攝取較多的光子，如此能提高畫(huà)素的動(dòng)態(tài)範(fàn)圍。但是，較大畫(huà)素需要較多的矽晶片 ，使得生產(chǎn)成本墊高，因此藉由設(shè)定活動(dòng)區(qū)域大小、低亮度敏感性，以及整個(gè)畫(huà)素陣列投射期望的圖像，決定最佳化的影像感測(cè)器元件大小。 CMOS感測(cè)器種類(lèi)被動(dòng)式畫(huà)素感測(cè)器CMOS被動(dòng)式畫(huà)素感測(cè)器CMOS（Passive Pixel Sensor CMOS）是一種低成本、低耗電的感測(cè)器，但缺點(diǎn)是高雜訊、高抗阻、低動(dòng)態(tài)範(fàn)圍。被動(dòng)式畫(huà)素感測(cè)器的光譜反應(yīng)頻寬範(fàn)圍除了可見(jiàn)光之外，也可以對(duì)紅外線反應(yīng)，因此，可以被應(yīng)用在安全監(jiān)視器、汽車(chē)夜視裝置等產(chǎn)品上 。CMOS的新技術(shù)ARAMIS ARAMIS（Asynchronous Ran

7、dom-Access MOS Image Sensor）是新世代的平面型CMOS感測(cè)器，ARAMIS影像輸入技術(shù)利用臺(tái)灣最普遍之CMOS工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體製程產(chǎn)製，在單晶片內(nèi)整合影像感測(cè)陣列 、類(lèi)比/數(shù)位轉(zhuǎn)換電路、數(shù)位介面及其他控制邏輯電路，同時(shí)以3.3V或5V單一電源操作，適合要求輕薄短小之的整合單晶片PC與消費(fèi)性電子相關(guān)應(yīng)用，目前，世界上僅有少數(shù)公司具備此項(xiàng)技術(shù)之商品化與量產(chǎn)能力。依目前的CMOS製程技術(shù)發(fā)展，這新世代的影像輸入技術(shù)將來(lái)可望依不同之應(yīng)用將更多數(shù)位邏輯電路整合到同一顆晶片上，以提供各種不同之智慧功能，使得系統(tǒng)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)更加便捷。ARAMIS架構(gòu)下的CMOS感測(cè)器擁有彈性模式，使得

8、DSC系統(tǒng)可以簡(jiǎn)化到Sensor、微處理器、Memory 3顆晶片，就可以構(gòu)成完整的系統(tǒng)。模擬機(jī)械快門(mén)而開(kāi)發(fā)出電子快門(mén)，可執(zhí)行on-sensor的矩陣式測(cè)光模式，不需要多餘的外加測(cè)光錶，容許所有畫(huà)素同時(shí)曝光。傳統(tǒng)的CMOS感測(cè)器是採(cǎi)用line-base的曝光方式，每一行的曝光不在同一個(gè)時(shí)間點(diǎn)上，因此在拍攝運(yùn)動(dòng)中物體時(shí)會(huì)產(chǎn)生影像的扭曲，但ARAMIS CMOS感測(cè)器是整個(gè)畫(huà)面同時(shí)曝光，可以維持畫(huà)面的正確性。三、測(cè)試技術(shù)Image 測(cè)試項(xiàng)目 Visual Examination(視覺(jué)審查) Dark CurrentDynamic RangePower ConsumptionOptical Sens

9、itivity(監(jiān)視系統(tǒng)用）Optical Sensitivity(DSC用)Linearity(訊號(hào)線性)Quantum Efficiency(量子效益)Output SensitivityFixed Pattern NoiseBlooming(影像溢散)Image Lag(影像延遲)四、CMOS 感測(cè)器現(xiàn)況簡(jiǎn)介臺(tái)灣數(shù)位相機(jī)銷(xiāo)售概況年度 2000 200120022003銷(xiāo)售數(shù)量(千臺(tái)) 15940 22194 29710 34715 臺(tái)灣所佔(zhàn)比重(%) - 8821(39.7%) 12079(41.4%)14584(42%)銷(xiāo)售值(百萬(wàn)美元) 7253 8212 9918 11109 臺(tái)灣

10、所佔(zhàn)比重(%) - 1132(13.8%) 1643(16.6%) 2034(18.3%) 全球數(shù)位相機(jī)像素比例分析(單位:% )像素等級(jí) 19992000 200120022003CIF-VGA 25.3% 30.1% 30.5% 22.7% 17.5%XGA 8.6%2.5%0.7% 0.3%- 1MP-2MP 43.4% 28.7%30.1% 32.3% 36.2% 2MP-3MP 22.7% 23.8% 24.3% 26% 30.9% 3MP-4MP - 14.9% 13.8% 12.6% 13.5% 4MP - - 0.6% 1.1% 1.9% 五、CMOS Sensor之未來(lái) 以數(shù)

11、位相機(jī)為首要目標(biāo)市場(chǎng) 根據(jù)IDC的研究，預(yù)測(cè)至2001年數(shù)位相機(jī)(Digital Still Camera)的市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)856萬(wàn)臺(tái)，未來(lái)將持續(xù)快速成 長(zhǎng)。目前CMOS Sensor即以數(shù)位相機(jī)為主要的應(yīng)用領(lǐng) 域。 由於CMOS Sensor技術(shù)使得在產(chǎn)品大小、成本、耗電 量等方面有所突破，未來(lái)除了數(shù)位相機(jī)之外，傳真機(jī) 、影像掃瞄器、數(shù)位化攝影機(jī)、安全偵測(cè)系統(tǒng)等等均 有發(fā)展空間。 近來(lái)Intel與Kodak相互技術(shù)授權(quán)，同時(shí)將於未來(lái)三年 內(nèi)投入1億5000萬(wàn)美元推廣數(shù)位影像相關(guān)的產(chǎn)品。其 中以攝取數(shù)位影像的數(shù)位相機(jī)將是最主要的重點(diǎn)產(chǎn)品 ，因而在技術(shù)持續(xù)進(jìn)展下，未來(lái)CMOS Sensor將隨之 水漲船高，有很大發(fā)展的商機(jī)。 多家廠商積極研發(fā)CMOS Sensor 目前CMOS Sensor產(chǎn)品推出市場(chǎng)上仍不多，但在美國(guó)地區(qū)積極發(fā)展的廠商相當(dāng)多，如下所列： IntelTIRockwell semiconductorToshibaVLSI Vision(VVL)PhotobitLucent TechnologiesAtmel與PolaroidStanford大學(xué)G