一代CMOS和CCD圖像傳感器技術(shù)講解-基礎(chǔ)電子

精品文檔-下載后可編輯一代CMOS和CCD圖像傳感器技術(shù)講解-基礎(chǔ)電子一代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(jìn)的制造工藝還實(shí)現(xiàn)了更低的成本。此外，創(chuàng)新架構(gòu)也正在給電路設(shè)計(jì)帶來更大的靈活性和通用性。

其結(jié)果是，圖像傳感器現(xiàn)已被廣泛用于手機(jī)、筆記本和膝上電腦、數(shù)碼相機(jī)、視頻游戲機(jī)、玩具、醫(yī)療設(shè)備、汽車、安全設(shè)備、工業(yè)設(shè)備和許多其它應(yīng)用。ICInsights公司預(yù)測(cè)，CMOS和CCD圖像傳感器在今后5年內(nèi)的年復(fù)合增長率（CAGR）將達(dá)到14%.這兩種類型圖像傳感器都已找到廣泛的應(yīng)用，但CMOS圖像傳感器前景尤其好，預(yù)計(jì)到2022年，它所占的市場(chǎng)份額將從去年的58%上升到73%.

與大多數(shù)電子設(shè)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(yù)計(jì)會(huì)有更多的應(yīng)用，但在要求高性能的應(yīng)用中仍要求使用CCD圖像傳感器。這不是簡(jiǎn)單的哪種圖像傳感器更好的問題。根據(jù)具體應(yīng)用對(duì)性能和成本因素的考慮，CMOS或CCD傳感器都有可能是的選擇。

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(qiáng)調(diào)低成本的消費(fèi)電子產(chǎn)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(jīng)進(jìn)入了傳統(tǒng)上被CCD圖像傳感器一統(tǒng)江山的汽車安全應(yīng)用中，因?yàn)樗男阅芸梢宰屓私邮?，而且成本又更低?/p>

CCD圖像傳感器具有更高的性能，可以滿足工業(yè)和機(jī)器視覺檢查應(yīng)用、以及安全系統(tǒng)、科學(xué)與軍事航空應(yīng)用的要求。它們也在一些縫隙市場(chǎng)找到了應(yīng)用，如天文和醫(yī)療等領(lǐng)域。CCD圖像傳感器的成本也在不斷下降，但性能仍遠(yuǎn)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(shù)（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(shè)計(jì)和制造建議及其實(shí)現(xiàn)將推動(dòng)它們的性能變得更高。

美國NASA的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)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?dāng)_。研究人員建議在每個(gè)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(rèn)為，這種隔離可以同時(shí)優(yōu)化MOSFET和光敏二極管的性能，消除或顯著降低串?dāng)_與噪聲，同時(shí)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(jié)構(gòu)，可以顯著降低串?dāng)_，提高成像器的總體敏感度和色彩保真性。

在經(jīng)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(jī)器視覺自動(dòng)化檢查應(yīng)用中），是CMOS圖像傳感器設(shè)計(jì)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(shù)的CCD圖像傳感器來實(shí)現(xiàn)高速快門，以獲得清晰的圖像。

近取得的CMOS圖像傳感器進(jìn)步已經(jīng)使這種傳感器能夠成功進(jìn)入機(jī)器視覺應(yīng)用中。憑借并行輸出、窗口調(diào)整和片上集成等優(yōu)勢(shì)，一些CMOS圖像傳感器現(xiàn)在已經(jīng)能夠與某些機(jī)器視覺應(yīng)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(shù)，這種成像系統(tǒng)可以在數(shù)據(jù)讀取過程中捕捉下一個(gè)幀。它的原理是在圖像傳感器的每個(gè)像素中集成一個(gè)存儲(chǔ)器節(jié)點(diǎn)，在圖像捕捉步驟完成后信號(hào)將被傳送到這個(gè)節(jié)點(diǎn)。

存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)具有特別低的寄生光敏感性。每個(gè)像素讀出時(shí)都具有很低的噪聲和很寬的動(dòng)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(jī)器視覺應(yīng)用所要求的敏感度、信號(hào)容量、噪聲性能和動(dòng)態(tài)范圍。

Photonfocus公司在其A1312CMOS圖像傳感器采用了自己的LinLog技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)快速快門和高達(dá)120dB的寬動(dòng)態(tài)范圍。該傳感器具有1312×1028像素分辨率，每個(gè)像素尺寸是8×8μm,在分辨率下的工作速度可達(dá)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(zhì)量變得越來越困難。背面照射技術(shù)是其中的一種解決方案。通過與臺(tái)積電（TSMC）公司的合作，OmniVision公司相信它已經(jīng)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(jī)生產(chǎn)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(shù)已被用于OmniVision公司的OmniBSI工藝。

Sony公司在背面照射技術(shù)方面也取得了成功。該公司已經(jīng)用1.75μm工藝生產(chǎn)出了手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)和攝像機(jī)用的500萬像素CMOS圖像傳感器。ST公司則通過與法國CEALeti和TracitTechnologies公司的合作，成功展示了利用背面照射技術(shù)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(zhì)量在改善

更高性能CMOS圖像傳感器滲透進(jìn)入消費(fèi)電子市場(chǎng)的一個(gè)明證是ST的0.25英寸光學(xué)格式315萬像素CMOS圖像傳感器。據(jù)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(zhì)量，對(duì)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VD6803CMOS圖像傳感器可以為手機(jī)提供高質(zhì)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(qiáng)濾波器可以平衡不均勻的照明，也可以在攝像時(shí)進(jìn)行缺陷校正。這些圖像傳感器可以用在手機(jī)、筆記本相機(jī)、玩具、甚至機(jī)器視覺應(yīng)用中。VD683提供10位并行接口，VD6803提供CCP2接口。

近，韓國三星推出了一款0.25英寸光學(xué)格式的120萬像素SoC圖像傳感器，分辨率為1280×960像素。用于筆記本和臺(tái)式機(jī)的S5K4AWCMOS圖像傳感器通過將圖像分成2×2的組來滿足高清晰度實(shí)時(shí)視頻應(yīng)用的特殊需求，而且無需修剪就能顯示標(biāo)準(zhǔn)VGA格式的圖像。

在今年的IEEE國際固態(tài)電路會(huì)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(dòng)設(shè)備提供更高質(zhì)量的視頻和圖像處理能力。這個(gè)高性能是通過使用將噪聲降低30%的新的列讀取電路實(shí)現(xiàn)的。

在今年2月份舉行的2022年移動(dòng)大會(huì)上，OmniVision在整合了傳感器功能和富士通微電子公司移動(dòng)MilbeautM-5M0圖像信號(hào)處理器的平臺(tái)上展示了用于手機(jī)的800萬像素CMOS圖像傳感器。該傳感器基于OmniVision的OmniBSI架構(gòu)，并采用1.4μm工藝制造。

OmniVision今年初推出了用于筆記本網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的產(chǎn)品OV7740.這是一款小尺寸低功耗的CMOS圖像傳感器，可以提供6800mV/lux-s的靈敏度。它的工作速度在VGA分辨率時(shí)可達(dá)60幀/秒，在QVGA分辨率時(shí)可達(dá)210幀/秒。該傳感器也可用于汽車安全應(yīng)用。

OmniVision另外還推出了一款用于超薄手機(jī)的CameraCube圖像傳感器。這是一款三維可回流焊的相機(jī)全面解決方案，在2.5×2.9×2.5mm的微型封裝內(nèi)集成了全功能的單芯片圖像傳感器、嵌入式圖像處理器和晶圓級(jí)光學(xué)器件。這款圖像傳感器有兩種型號(hào)，一種是提供400×400像素分辨率的OVM6680,另一種是提供VGA分辨率的OVM7690.

一代數(shù)字單反（SLR）相機(jī)被證明是CMOS圖像傳感器的應(yīng)用目標(biāo)。Micron公司的Aptina是一種比較著名的圖像傳感器產(chǎn)品。據(jù)報(bào)道，該公司正在制造可用于數(shù)字單反相機(jī)的900萬像素VGA晶圓級(jí)CMOS相機(jī)模塊MT9V113M02STC.

索尼已經(jīng)開發(fā)出一種用于數(shù)字單反相機(jī)的35毫米全尺寸CMOS圖像傳感器，有效像素達(dá)2481萬，采用的是索尼列并行模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)。這種圖像傳感器中的每個(gè)像素列都有自己的ADC,可以將模擬處理過程中產(chǎn)生的噪聲引起的圖像質(zhì)量劣化降至，同時(shí)提供特別高的信號(hào)轉(zhuǎn)換速度。

EastmanKodak公司也推出了更先進(jìn)的用于手機(jī)和數(shù)字單反相機(jī)的CMOS圖像傳感器，它采用新一代彩色濾波器模式，靈敏度是CMOS和CCD圖像傳感器的2倍以上。這種方法與廣泛使用的、按紅、綠、藍(lán)像素排列的Bayer濾波器模式（也是柯達(dá)公司開發(fā)的）不同，增加了頂部沒有色素的第4個(gè)像素。

CMOS圖像傳感器也正在鋪平到新的消費(fèi)電子和應(yīng)用中的道路，如RIDGID公司推出的MicroExplorer數(shù)字檢查相機(jī)。這個(gè)設(shè)備在連接彩色液晶手持設(shè)備的柔性電纜末端使用了一個(gè)CMOS圖像傳感器。

CMOS圖像傳感器前景光明

使用CMOS圖像傳感器的可視司機(jī)輔助駕駛系統(tǒng)可以提供巨大的安全好處。如果再配上功能強(qiáng)大的處理器、DSP芯片和軟件算法，這些成像系統(tǒng)將變成道路視頻、雷達(dá)和激光雷達(dá)數(shù)據(jù)流的處理中心，就如同是未來汽車的大腦。

這一系統(tǒng)可以通過司機(jī)臉部圖像檢測(cè)出司機(jī)是否疲勞，并能識(shí)別交通標(biāo)志。它們除了能夠提供車道偏離告警、盲點(diǎn)檢測(cè)、前視和后視圖像、行人檢測(cè)和夜視輔助功能外，還能在倒車和泊車時(shí)提供告警。

汽車用CMOS圖像傳感器產(chǎn)品十分豐富，一些和令人印象深刻的產(chǎn)品來自以下供應(yīng)商：Melexis、OmniVisionTechnologies、SensataTechnologies和ST.

Melexis的MLX75307CMOS圖像傳感器特別適合汽車前視應(yīng)用，如司機(jī)輔助駕駛系統(tǒng)（ADAS）、遠(yuǎn)光燈輔助系統(tǒng)和夜視系統(tǒng)。它通過預(yù)先提醒司機(jī)潛在的危險(xiǎn)來提高安全性。

此外，MLX75307可以在多重場(chǎng)景條件下提供190dB的寬動(dòng)態(tài)范圍，在內(nèi)部場(chǎng)景（intra-scene）條件下提供110dB的動(dòng)態(tài)范圍，并且具有750×400像素的分辨率。它的信噪比是102dB,工作電壓為3.3V,工作溫度范圍從-40℃到125℃。Melexis的這款圖像傳感器符合歐洲機(jī)器視覺協(xié)會(huì)（EMVA）的1288標(biāo)準(zhǔn)。

ST的VL5510車用CMOS成像器同樣適合ADAS應(yīng)用，它的特性包括：1024×512像素分辨率，7.14V/lux靈敏度，5.6×5.6μm像素尺寸，33aA/像素暗電流（25℃時(shí)），34幀/秒幀速率，而且在近紅外波長處有很高的量子效率。該器件可以與意法微電子公司和Mobileye公司合作開發(fā)的一款專用視覺處理器配合使用。

SensataTechnologies公司針對(duì)ADAS應(yīng)用開發(fā)出了一款名為Avocet的CMOS圖像傳感器，它在低亮度和黎明行駛條件下可提供擴(kuò)展動(dòng)態(tài)范圍和的靈敏度。它的動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)154dB,有RGB和RGBi兩個(gè)版本。Avocet采用的Autobrite寬動(dòng)態(tài)范圍技術(shù)收購自賽普拉斯半導(dǎo)體公司。

經(jīng)過近十年的研究，瑞士的電子與微技術(shù)中心（CSEM）在今年的ISSCC上展示了一款智能的CMOS圖像傳感器設(shè)計(jì)。這款名為Icycam的成像器在單個(gè)裸片上集成了DSP芯片和CMOS傳感器，可有效降低汽車、工業(yè)和消費(fèi)電子設(shè)備的成本。它具有QVGA的分辨率（320×240像素），并集成了一個(gè)數(shù)字對(duì)數(shù)圖像壓縮器。

CMOS成像器進(jìn)入醫(yī)療電子應(yīng)用

CMOS成像器與性能強(qiáng)大圖像處理器的組合已經(jīng)在醫(yī)療電子領(lǐng)域作出很大貢獻(xiàn)。這些組合器件正在成像應(yīng)用、診斷探頭、可吞咽藥丸和大量其它應(yīng)用中找到自己的立腳之處。

例如，它們支持內(nèi)診鏡等性診斷儀器，比如Micro-ImagingSolutions公司的產(chǎn)品（圖4）。該公司在郵票大小的電路板上提供了完整的CMOS相機(jī)系統(tǒng)。多家CMOS相機(jī)公司已經(jīng)在制造片上相機(jī)設(shè)計(jì)。

圖4:由Micro-ImagingSolutions公司開發(fā)的這種醫(yī)療內(nèi)診鏡（a）在安裝有性微型CMOS圖像傳感器（b）。成像芯片僅包含像素陣列和一些基本的時(shí)序和控制電路，使得整體封裝又小又便宜，并且對(duì)圖像分辨率沒有不良影響。

Micro-ImagingSolutions公司將開發(fā)重心放在視頻處理方面，同時(shí)使大多數(shù)時(shí)序和控制電路遠(yuǎn)離像素陣列平面，目的是盡量縮小成像器陣列的體積。時(shí)序和控制電路被直接堆疊在成像器平面后面，或離成像器隔幾米遠(yuǎn)，再通過射頻或可斷開的電纜鏈路連接成像器。

ADI公司則提供一對(duì)功能強(qiáng)大、集成度高的14位圖像處理器與CMOS和CCD傳感器配合使用。雙通道ADD9978A和四通道ADD17004這兩個(gè)圖像處理器可以為醫(yī)療和工業(yè)機(jī)器視覺應(yīng)用使用的75MHz數(shù)