新颖固体图像传感器的发展及应用

1 引言  

固体图像传感器属于光电子产业领域的光电子成像器件。随着数码技术、半导体器件制造技术、光电子技术及网络技术的迅速发展，目前市场和业界都面临跨越各平台的视讯、影音、通讯大整合时代的到来，勾画未来人类社会的美景。以其在日常生活中的应用而言，无疑要属数码相机、摄录一体机和摄像机产品，其发展速度日新月异。短短几年，数码相机就由几十万像素发展到500万像素、600万像素甚至更高。不仅在发达的欧美国家数码相机占有很大的市场，就是在发展中的中国，数码相机的市场也在以惊人的速度增长，因此，其关键器件——固体图像传感器已成为当前和未来业界关注的对象，吸引着众多厂商。以器件类别区分，固体图像传感器主要分为CCD、CMOS及CIS三种。这里，主要简单介绍最近几年发展起来的固体图像传感器的最新发展现状、应用市场和主要技术。

2 固体图像传感器的现状  

2.1 超级CCD  

在传统CCD中，光电二极管是矩形的，其尺寸受到限制。制造商们尽管不断地增加像素以提高图像质量，同时缩小像素和光电二极管面积，但是，光吸收的低效率已成为提高感光度、信噪比和动态范围的另一个障碍。  

为了寻求更好的解决方法，日本富士公司的科研人员对人类视觉进行了全面的研究，他们得到一个结论：像信息的空间频率和功率都聚集在水平和垂直轴上，最低的功率在45°对角线上。根据这一理论研究结果，超级(Super)CCD[6]的像素都按45°角排列，形成蜂窝状结构。控制信号通道被取消，为光电二极管留出更多的空间。光电二极管是八角形的，非常接近微透镜的圆形，因此，可以更有效地吸收光。SuperCCD把无助于影像记录的空间减少到最低限度，感光效率、感光度和信噪比得到提高，动态范围得以扩大。
  
SuperCCD的读出采用水平跳跃读出方式，虽然跳跃读出像素会大大降低视频图像质量，但是，由于竖直线条读出速度太慢，传统CCD还必须在图像输出时采用跳跃读出方式。而且，传统CCD水平方向的像素只有两种颜色，必须读出两行数据才能形成彩色。SuperCCD的每行像素包含红、绿、蓝（R、G、B）三种彩色，除了以1/2或其他比率进行垂直跳跃读出外，还可以进行水平1/3跳跃读出，可以获得高质量的视频输出。与传统CCD不同的是SuperCCD的电荷通道更加宽阔，能够高速传输数据，因此，只要加简单的电子快门控制，使得它具有进行快速精确连续拍摄的潜能，所有像素的数据即可一次读出。自1999年第一代SuperCCD问世后，到2003年初已发展到第四代SuperCCD，用该器件开发的数码相机的摄像效果已达到人眼的视觉效果。  

2.2 CMOS图像传感器  

CMOS图像传感器的研究始于20世纪60年代末，由于受当时工艺技术的限制，直到90年代初才发展起来，至今已研制出三大类CMOS图像传感器[7][[8]，即CMOS无源像素传感器（简称CMOS?PPS）、CMOS有源像素传感器(简称CMOS?APS）和CMOS数字像素传感器（简称CMOS?DPS）。在此基础上又问世了CMOS视觉传感器、CMOS应力传感器、对数极性CMOS传感器、CMOS视网膜传感器、CMOS凹型传感器、对数变换CMOS图像传感器、轨对轨CMOS有源像素传感器、单斜率模式CMOS图像传感器和CMOS指纹图像传感器、FoveonX3全色CMOS图像传感器、VMISCMOS图像传感器等。  

CMOS图像传感器具有多种读出模式。整个阵列逐行扫描读出是一种普通的读出模式，这种读出方式和CCD的读出方式相似。窗口读出模式是一种针对窗口内像素信息进行局部读出的模式，这种读出模式提高了读出效率。跳跃式读出模式同SuperCCD一样，以降低分辨率为代价提高读出速率，采用每隔一个或多个像素读出的模式。  

2.3 CMOS图像传感器的新技术——C3D  

C3D（CMOSColorCaptiureDevice）是新一代半导体成像技术，它不仅提高了像素设计技术[9]，也改进了生产工艺。采用0.25μmCMOS工艺生产的这种CMOS图像传感器，可以在保全性能的前提下增加晶体管的数量和填充系数。除了增加像素设计的选择方案外，还可实现更加复杂的功能和更低的功耗。在速度方面也有很大的优势。
  
对于设计人员而言，为了最大限度地提高产品质量，设计时合适的权衡取舍是至关重要的。就图像传感器而言，量子效率是非常重要的，但暗电流和串扰同样不可忽视。C3D的核心技术对上述的CMOS图像传感器所存在的固定图像噪声、像素间的串扰及暗电流等缺陷均有所改善。此外，还降低了对支持电路的依赖程度。  

C3D技术的最大特点就是像素响应的均匀性。C3D技术重新定义了成像器的性能（把系统的整体性能包括在内），提高了CMOS图像传感器在均匀性和暗电流方面的标准性能。C3D技术是针对具体应用来设计图像传感器的，因此，系统设计人员可借助它来完成片上功能集成，根据现有的系统参数进行设计，提高系统的整体性能。采用C3D技术的另一个设计上的好处是利用片上集成阵列的处理能力大幅度减少后续的图像处理器。