新颖固体图像传感器的发展及应用

新颖固体图像传感器的发展及应用

程开富

(中国电子科技集团公司第44研究所, 重庆 400060)

摘 要：主要概述SuperCCD、CMOS图像传感器、C3D、APDIS、ARAMIS、FoveonX3全色CMOS图像传感器、VMIS、薄膜ASIC图像传感器、SeeMOS图像传感器等新颖固体图像传感器的发展现状。此外，简单介绍其应用市场和主要技术。
关键词：电荷耦合器件；CMOS图像传感器；数码相机；数字摄像机；综述

Current Development and Its Application of Novel Solid Image Sensors

Cheng Kai-fu

(No.44 Research Institute of China Electronics Technology Group Corp,Chongqing 400060 China)

Abstract:The current deveopment of super CCD,CMOS image sensors,CMOS colour captivedevice（C³D）,avalanche photodiode image sensor（APDIS）,asynchronous random access MOS image sensor（ARAMIS）,foveonX3 full colour CMOS image sensor,voltage modulation image sensor（VMIS）,thin film application specific integrated circuit（ASIC）image sensor,See MOS image sensor are emphatically descirbed.In addition，their application market and key technologies are briefly introduced.
Keywords:CCD;CMOS image sensor;digital camera;overview

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。有关CCD、CMOS及CIS的发展状况、典型结构、性能参数、工作原理及其应用等，笔者已作过详细介绍^[1]～[5]。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。
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/Hz^1/2，源跟随器的热噪声V_nsf=17nV/Hz^1/2,C=200fF时，复位噪声的计算值为144μV；增益为1和15时，APD的噪声（i_nAPD）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，CCD和CMOS图像传感器的生产预测如图1所示。

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。
3.5 SeeMOS图像传感器
Philips半导体公司的SeeMOS图像传感器UPA1021是一种具有VGA分辨率（640H×480V）的高度集成的1/4英寸CMOS图像传感器^[15]。该传感器利用Philips的SeeMOS技术实现高分辨率和低噪声。它在12MHz的频率下输出可达30帧/秒。其特殊的微透镜阵列设计将填充因子提高了2倍，同时，利用Philips的DSP电路SAA8116GRBBayer CFA（彩色滤波器阵列）提供色彩元素以实现色彩再现。
该传感器可以通过I2C的串行接口进行数字编程，并配备一个PGA（可编程增益放大器），提供高达24dB的增益，在高分辨输出下可实现每秒0.094dB的分辨率和9位的ADC（模/数转换器）。它适合于在各种光照明条件下工作，SeeMOS成像传感器已用于PC摄像机。

4 固体图像传感器的市场
4.1 在移动终端的应用
固体图像传感器最有市场前景的应用领域是移动电视电话、笔记本电脑等移动终端的移动图像商品群、电视摄像机、数码相机等。这些个人仪器的市场规模很大。另一方面，随着通信网络传送线路的带宽的不断扩展，这种大容量通信线路有可能从家庭和个人向世界进行动态图像传送。而且支持图像通信的低比特率的图像通信方式的MPEG4标准化等也已实用化。这为固体图像传感器的应用敞开了大门。
4.2 在安保领域的应用
在IT化进展以后，个人方便进行信息发送和电子商务也成了问题。为了在网络上安全进行电子商务，人们开发了叫做生物计量安全技术的个人认证技术，不仅能把口令而且能把个人一生中普遍具有的脸部特征、声音、虹彩图样等作为认证手段的技术。在这些应用中，为了避免外来光的影响，提高识别精度，往往采用近红外线摄像。特别是CMOS图像传感器，可用作近红外图像识别图像输入装置。
4.3 在基础交通设施中的应用
世界各国都在开发交通方面的ITS（智能交通系统）。这可以理解为包括汽车在内的交通信息网络，是大规模进行交通管理和控制能量消费的系统。现在正在进行许多摄像机应用仪器的开发，例如高速公路交通量的监视、隧道内的监视、交叉点的监视、收费站的自动化等。从车辆方面来看，有车辆驾驶状态监视器（脱离行车路线监视）、驾驶员打瞌睡监视、为自动驾驶的行车线和障物识别、实时记录事故状况的记录仪等等。估计每一辆汽车需使用5台～6台摄像机。
4.4 在其他方面的应用
在ITS方面开发的摄像机都要直接满足监视摄像机的规格。虽然监视摄像机要由人来观察摄像装置的图像信号，但也可以成为与图像处理装置相结合的机器视觉装置。预计组装进特定处理电路的摄像机和与谁都会使用的无线技术相结合的摄像机将会形成新的市场。
在玩具、游戏机、娱乐仪器领域的摄像机也会有广阔的应用前景。固体图像传感器的应用领域如图2所示。

5 主要技术
究竟是CCD好还是CMOS图像传感器好，这是个既老又新的问题，早在十多年前就在争论。当时，似乎认为CCD是固体图像传感器的代名词，但是，实际上第一个家庭用摄像机是采用MOS型图像传感器制成的。CMOS图像传感器根据像素的组成可以分成无源型和有源型，当时开发的MOS型是无源型，这是通过X—Y地址开关读出积累在光电二极管上信号电荷的型式。这种MOS开关的热噪声是致命的。因此，在当时的争论中，CCD图像传感器取得胜利。
另一方面，有源型的CMOS图像传感器在像素中集成了放大器，因此，可以降低噪声。但是，在一个像素上要集成一个放大器，当时是难以实现的。然而，最近，提到CMOS图像传感器，往往是指这种有源型。有源型CMOS图像传感器与CCD图像传感器的性能如果进行比较，那么，在灵敏度、随机噪声、固定图像噪声方面，CCD较好，CMOS图像传感器较差。而在单一电源、功耗、集成化、多功能化、成本和抗光晕等方面，CMOS图像传感器较好，CCD图像传感器较差。
CMOS固体图像传感器的特征基于CMOS技术，并且具有可以应用存储器等迅速发展的CMOS技术的优点。此外，CCD基本上只能读出串行的信号，而CMOS图像传感器可以随机存取、成组存取，并可实现其他电路的功能。为了消除噪声，开发了相关双重取样法等。为了提高灵敏度，还研究出增大光电二极管面接合深度或采用埋入型光电二极管的方法。不拘泥于标准CMOS工艺，比如追加工序，试图改善像质方面也进行了研究。
回顾CCD的发展历史，除了着意提高像素外，在技术开发上并没有太大突破。进入2000年后，CCD技术的发展一下子加快起来，新型结构的CCD不断进入市场，CCD的缺点也在改善，例如低耗电、多功能化、低价格化和多层感色等。CCD图像传感器并没有退出市场，其市场份额仍然很大。在数码相机和摄像机市场仍将以CCD为主要的成像器件。与此同时，CMOS图像传感器也进入高速发展的阶段，在数码相机和摄像机市场随处可见。

6 结论
现在比较流行的固体摄像器件主要是CCD、CID、superCCD和CMOS，兼备CCD与CMOS图像传感器的FoveonX3多层感色CCD、FoveonX3全色CMOS图像传感器、VMISCMOS图像传感器也有望脱颖而出。视觉信息约占五官接收信息总量的80％，因此，在信息社会中，固体图像传感器在国民经济和人民生活中所起的作用越来越大，应用领域不断扩大。今后，CMOS图像传感器的发展会更快，但它不可能完全代替CCD，各有所长。固体图像传感器将进一步向多功能化、单芯片化、多层感色、全色和智能化方向发展。

参考文献

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