新颖固体图像传感器的发展及应用

2.4 APD图像传感器  

瑞士联邦技术学院电子学实验室的AliceBiber和PeterSeitz等人采用1.2μm标准Bi-CMOS工艺研制成功雪崩光电二极管图像传感器（APDIS）[10]，每个像素由雪崩光电二极管（APD）、高压稳定电路和图像读出电子部件组成。与常规CMOS有源像素传感器比较，集成APD像素现存的反馈电阻器将由反馈电容器代替，放大器的热噪声为Vnamp=30nV/Hz1/2，源跟随器的热噪声Vnsf=17nV/Hz1/2,C=200fF时，复位噪声的计算值为144μV；增益为1和15时，APD的噪声（inAPD）分别为3.2×10－33A2/Hz和14.4×10－27A2/Hz。每个球形结构的APD的外部直径为48μm，像素数为12×24，芯片尺寸为2.4mm×2.4mm，总的像素尺寸为154μm×71.5μm。用该器件已组装成首台APD摄像机，拍摄出清晰的黑白图像。  

推动固体图像传感器发展的原动力是数码相机、摄像机和移动电话。现在，固体图像传感器技术开发的焦点是从CCD完全转移到CMOS图像传感器。   
  
3 固体图像传感器的进展  

3.1 CMOS图像传感器的新技术——ARAMIS  

我国台湾省的ElecVision公司研制的异步随机存取MOS图像传感器（简称ARAMIS）是新型的平面型CMOS图像传感器[11]，在单芯片内整合图像感光阵列、A/D转换电路、数字接口及其他控制逻辑电路，在3.3V或5V单一电源下工作。ARAMIS结构的CMOS图像传感器使数码相机系统可以简化到图像传感器＋微处理器＋存储器等3个芯片。为仿真机械快门而开发的电子快门，可执行片上矩阵测光模式，不需要多余的外加测光电路，允许所有像素在同一时刻曝光。传统的CMOS图像传感器采用行基准方式的曝光方式，每一行的所有像素在同一时刻曝光，而不同行上的像素不在同一时刻曝光，因此，在拍摄快速运动物体时会产生图像扭曲，而ARAMIS可以很好地解决这一问题。因为采用ARAMIS技术的好处之一是可以更精确地再现活动目标。运动中的目标仍能保持它们的正确形状。
  
3.2 多层感色的X3技术  

2002年2月11日，美国Foveon公司发表了全新的图像传感器多层感色技术——具备VPS（可变像素尺寸）的FoveonX3技术[12]，立即引起业界的高度关注。2000年—2003年，Foveon公司采用0.18μmCMOS工艺研制出130×130×3、576×384×3、640×480×3、768×512×3、1152×768×3、575×575×3、1344×1024×3、2048×2048×3、2304×1536×3、1134×756×3、1152×1008×3（最后面的3代表每个像素有三种色彩）像素的FoveonX3全色CMOS图像传感器，该公司独特的X3技术可在一个像素上同时获得红、绿、蓝三种颜色信号，其产品主要面向专业摄影和业余爱好者等消费市场。FoveonX3是全球第一款可以在一个像素上捕捉全部色彩的图像传感器阵列。传统的光电耦合器件只能感应光线强度，不能感应色彩信息，需要通过滤色镜来感应色彩信息，我们称之为Bayer滤镜。而FoveonX3在一个像素上通过不同的深度来感应色彩，最表面一层感光蓝色、第二层感应绿色，第三层感应红色。它是根据硅对不同波长光线的吸收效应来达到一个像素感应全部色彩信息，这种图像传感器采用VPS技术，允许支持X3的数码相机捕获高分辨率静态图像及完全动态视频。图像质量优于35mm胶片及数码摄相机。目前，已经有使用这种技术的全色CMOS图像传感器，其产品是“SigmaSD9”数码相机。
  
这项革新技术可以提供更加税利的图像，更好的色彩。FoveonX3是第一款通过内置硅光电传感器来检测色彩的，对于传统半导体感光技术是很大的突破，发展前景非常好。  

3.3 VMIS手机用影像模块  

电压调制图像传感器（简称VMIS）是Innotech公司正在开发的新产品[13]。普通的CMOS图像传感器，每个像素要用三块MOS器件，而VMIS每个像素只用一块。这种产品只有约8mm（1/4英寸）大，31万像素，面积为5.6μm×5.6μm，可大大减少图像传感器的尺寸。据报道，该芯片不仅图像质量接近CCD，而且功耗也很低。2002年，Innotech公司研制成功VMISCMOS图像传感器，像素数为1360×1024，像素尺寸为4.2μm×4.2μm，饱和输出信号为500mV，灵敏度为300mV/lx·s，拖影为－100dB。Innotech公司将开发出1/4英寸，具有80万～100万像素的VMIS。许多厂商都对VMIS给于厚望，期待它早日应市。  

3.4 薄膜ASIC图像传感器  

德国西根大学半导体电子学研究所采用0.7μmCMOS工艺，PECVD超高真空系统及薄膜专用集成电路（TFA）技术，设计和制造了宽动态范围图像传感器[14]。该图像传感器由两部分组成：氢化非晶硅（a-Si:H）薄膜光电探测器和专用集成电路（ASIC）。a-Si:H薄膜是在PECVD超高真空中制成的，而ASIC使用标准CMOS技术制备，这是继CMOS图像传感器问世之后最新开发成功的新型传感器。同CMOS图像传感器一样，已经引起人们的重视。薄膜专用集成电路（TFA）图像传感器由正面电极、a－Si:H背面电极、绝缘层和专用集成电路等组成。像素数分别为368×256、495×128、1024×108，像素尺寸为30μm×38μm和10μm×10μm，芯片尺寸为16.5mm×14.9mm和16.6mm×12.6mm，动态范围为60dB～125dB，对于368×256像元器件，暗电流为3×10－9A/cm2，动态范围为125dB，信噪比为71dB。