CMOS傳感器

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CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor),中文學名為互補金屬氧化物半導體,它本是計算機系統內一種重要的芯片,保存了系統引導最基本的資料。CMOS的制造技術和一般計算機芯片沒什么差別,主要是利用硅和鍺這兩種元素所做成的半導體,使其在CMOS上共存著帶N(帶-電)和P(帶+電)級的半導體,這兩個互補效應所產生的電流即可被處理芯片記錄和解讀成影像。后來發現CMOS經過加工也可以作為數碼攝影中的 圖像傳感器 ,CMOS傳感器也可細分為被動式像素傳感器(Passive Pixel Sensor CMOS)與主動式像素傳感器(Active Pixel Sensor CMOS)

介紹

當今的CMOS圖像轉換技術不僅服務于“傳統的”工業圖像處理,而且還憑借其卓越的性能和靈活性而被日益廣泛的新穎消費應用所接納。此外,它還能確保汽車駕駛時的高安全性和舒適性。最初, CMOS圖像傳感器 被應用于工業圖像處理;在那些旨在提高生產率、質量和生產工藝經濟性的全新自動化解決方案中,它至今仍然是至關重要的一環。

據市場研究公司IMS Research的預測,在未來的幾年中,歐洲工業圖像處理市場的年成長率將達到6%,其中,在相機中集成了軟件功能的智能型解決方案的市場份額將不斷擴大。在德國,據其全國工具機供應商協會VDMA提供的數據,2004年的圖像處理市場增長率達到了14%。市場調研公司In-Stat/MDR亦指出,單就圖像傳感器的 次級市場 而言,其年成長率將高達30%以上,而且這種情況將持續到2008年。最為重要的是:CMOS傳感器的成長速度將達到CCD傳感器的七倍,照相手機和數碼相機的迅速普及是這種需求的主要推動因素。

顯然,人們如此看好CMOS圖像轉換器的成長前景是基于這樣一個事實,即:與壟斷該領域長達30多年的CCD技術相比,它能夠更好地滿足用戶對各種應用中新型圖像傳感器不斷提升的品質要求,如更加靈活的圖像捕獲、更高的靈敏度、更寬的動態范圍、更高的分辨率、更低的功耗以及更加優良的系統集成等。此外,CMOS圖像轉換器還造就了一些迄今為止尚不能以經濟的方式來實現的新穎應用。另外,還有一些有利于CMOS傳感器的“軟”標準在起作用,包括:應用支持、抗輻射性、快門類型、開窗口和光譜覆蓋率等。不過,這種區別稍帶幾分任意性,因為這些標準的重要程度將由于應用的不同(消費、工業或汽車)而發生變化。

難題

就像我們從模擬攝影所獲知的那樣,拍攝一幅完整場景的照片是一件相當普通的事情,照相手機同樣如此。但是,對于工業或汽車應用來說,情況就大不一樣了:有些場合并不需要很高的全幀數據速率。比如,在 監控攝像機 中,只要能夠發現一幅場景中出現的變化(因為這種變化可能預示著某種可疑情況),那么分辨率低一點也是完全可以接受的。在此基礎之上才需要借助全分辨率來采集更多的細節信息。跟著發生的動作將只在攝像機視場的某一部分當中進行播放,而且,在所捕獲的場景中,只有這一部分才是監控人員所關注的。

對于只提供全幀圖像的 CCD圖像傳感器 而言,只有采用一個分離的評估電路才能夠提供兩個觀測角度,這意味著處理時間和成本的增加。然而,CMOS圖像傳感器的工作原理則與RAM相似,所有的存儲位均可單獨讀出。CMOS傳感器的二次采樣雖然提供了較低的分辨率,但是 幀速率 較高;而開窗口則允許隨機選擇一塊感興趣的區域。

優勢

CMOS傳感器 最新CMOS傳感器獲得廣泛應用的一個前提是其所擁有的較高靈敏度、較短曝光時間和日漸縮小的像素尺寸。像素靈敏度的一個衡量尺度是填充因子(感光面積與整個像素面積之比)與量子效率(由轟擊屏幕的 光子 所生成的電子的數量)的乘積。CCD傳感器因其技術的固有特性而擁有一個很大的填充因子。而在CMOS圖像傳感器中,為了實現堪與CCD轉換器相媲美的噪聲指標和靈敏度水平,人們給CMOS圖像傳感器裝配上了有源像素傳感器(APS),并且導致填充因子降低,原因是像素表面相當大的一部分面積被 放大器 晶體管所占用,留給 光電二極管 的可用空間較小。所以,當今CMOS傳感器的一個重要的開發目標就是擴大填充因子。賽普拉斯(FillFactory)通過其獲得專利授權的一項技術,可以大幅度地提高填充因子,這種技術可以把一顆標準CMOS硅芯片最大的一部分面積變為一塊感光區域。隨著像素尺寸的變小,提高填充因子所來越困難,目前最流行的技術是從傳統的前感光式(FSI,Front Side Illumination)變為背部感光式(BSI,Back Side Illumination),放大器等晶體管以及互聯電路置于背部,前部全部留給光電二極管,這樣就實現了100%的填充因子(如右側示意圖所示)。

另外,對于一個典型的工業用圖象傳感器而言,由于許多場景的拍攝都是在照明條件很差的情況下進行的,因此擁有較大的動態范圍將是十分有益的。CMOS圖像傳感器通過多斜率操作實現了這一目標:轉換曲線由傾度不同的直線部分所組成,它們共同形成了一個非線性特征曲線。因此,一幅場景的黑暗部分有可能占據集成模擬- 數字轉換器 轉換范圍的很大一部分:轉換特征曲線在這里最為陡峭,以實現高靈敏度和對比度。特征曲線上半部分的平整化將在圖像的明亮部分捕獲幾個數量級的過度曝光,并以一個更加細致的標度來表現它們。采用多斜率的方式來運作LUPA-4000將使高達90dB的光動態范圍與一個10位A/D轉換范圍相匹配。

具有VGA分辨率的IM-001系列CMOS圖像傳感器在此基礎上更進一步;它們是專為汽車應用而設計的。其像素由光電二極管組成,可提供高達120dB的自適應動態范圍。面向汽車應用的ACM 100相機模塊就采用了這些傳感器,這種相機模塊據稱是同類產品中率先面市的全集成化相機解決方案:該視覺解決方案被看作是面向駕駛者保護、防撞、夜視支持和輪胎跟蹤導向的未來 汽車安全系統 的關鍵元件。

此外,對于獨立于電網的便攜式應用而言,以低功耗特性而著稱的CMOS技術還具有一個明顯的優勢:CMOS圖像傳感器是針對5V和3.3V電源電壓而設計的。而 CCD芯片 則需要大約12V的電源電壓,因此不得不采用一個電壓轉換器,從而導致功耗增加。在總功耗方面,把控制和系統功能集成到CMOS傳感器中將帶來另一個好處:它去除了與其他半導體元件的所有外部連接線。其高功耗的驅動器如今已遭棄用,這是因為在芯片內部進行通信所消耗的能量要比通過 PCB 或襯底的外部實現方式低得多。

光譜靈敏

在現代CMOS圖像傳感器中,一個重要的發展趨勢是其光譜靈敏度擴展到了近紅外區NIR(至約1,100nm的波長)。配備了IM-001 CMOS圖像傳感器的汽車應用將改善霧穿透力和夜視能力。由于工業圖像捕獲技術開始運用更多波長位于NIR之中的光源,而且生物技術也在利用該光譜區域中的有趣現象,因此,新開發的IBIS 5-AE-1300傳感器具有700~900nm的NIR靈敏度。

在面向消費應用的圖像捕獲技術中,另一個發展趨勢是繼續提高分辨率。到2005年年中,70%左右的手機相機已具有VGA格式分辨率(640×480像素);但隨后的2006年,幾百萬像素的傳感器就將占領50%的市場份額,而到2008年,其市場占有率預計將進一步攀升至90%以上。為此,賽普拉斯公司開發了一種用于 蜂窩電話 的300萬像素圖像傳感器,該產品采用了Autobrite技術,可進行12位模擬/數字轉換,并提供了72dB的寬廣動態范圍,而市面上的10位模擬/數字轉換器的動態范圍僅為60dB。逐行掃描模式中的幀速率高達30幀/秒,因而可錄制實況視頻節目。

在工業和商業領域中,這種發展趨勢也很明顯:賽普拉斯已推出一款用于Kodak數碼相機的1,300萬像素/35mm圖像傳感器,另外,660萬像素的IBIS 4-6600傳感器正在一種面向弱視人群的自動閱讀輔助裝置中證明自己的卓越品質--它可在一幅完整的標準A4頁面上提供出色的分辨率。

憑借技術實現系統集成由于蜂窩電話、數碼相機、MP3播放機和PDA等傳統分離型功能設備的加速數字融合(即成為一部緊湊的消費型電子產品),導致人們越來越希望至少具有部分自主性的子系統能夠在一部設備中提供極為寬泛的功能。這種趨勢還將對專業測量技術產生影響:利用包含一個數碼相機、PDA用戶接口和WLAN聯網能力的便攜式檢驗工具,光測試和監視的應用范圍將得到有效的拓展。作為一種平臺技術,CMOS符合這一發展潮流:CCD圖像轉換器仍然需要采用外部邏輯電路來實現控制和模擬/數字轉換功能,而CMOS標準邏輯器件則能夠把傳感器、控制器、轉換器和評估邏輯電路等全部集成到一塊芯片之中。

一個典型的例子如專門針對要求苛刻的消費應用而制作的CYIWCSC1300AA芯片的圖像捕獲電路。它基于130萬像素圖像傳感器CYIWOSC1300AA和一個用于提供誤差插補、黑電平調整、透鏡校正、信號互串校正、彩色馬賽克修補、彩色校正、自動曝光、噪聲抑制、特效和γ校正等等諸多功能的附加 信號處理器 。集成更多的系統功能(一直到自主型 光電傳感器 系統)是可行的,這主要取決于諸如市場容量和開發成本等經濟目標和限制因素。

IMS Research公司的資深市場分析家John Morse指出:“工業圖像處理市場的變化非常快,不光是在技術層面上,而且還涉及近期發生的制造商合并事件。我們認為這種趨勢還將繼續下去。”果真如此,那么這同樣適用于賽普拉斯公司:通過收購 MIT (美國麻省理工學院)于1999年成立的SMal Camera Technologies公司,賽普拉斯已將其業務觸角延伸到了消費和汽車領域;而兼并FillFactory(這是一家于1999年從總部位于比利時Leuven的著名歐洲微電子和納米技術研究中心 IMEC 抽資脫離而成的公司)則使賽普拉斯進一步躋身工業領域。

CMOS圖像傳感器市場正在蓬勃發展之中,即將成為一個大規模市場。它在很大程度上仍然依賴于客戶專用設計來滿足規格和系統集成方面的一組定制要求。不過,它將越來越多地提供通用的標準解決方案。分辨率、幀速率和靈敏度的提高以及成本的下降正使其應用領域不斷地擴大。要的一環。

像素結構

CMOS傳感器按為像素結構分被動式與主動式兩種。

被動式

被動式像素結構(Passive Pixel Sensor.簡稱PPS),又叫無源式。它由一個 反向偏置光敏二極管 和一個開關管構成。光敏二極管本質上是一個由 P型半導體 和N型半導體組成的PN結,它可等效為一個反向偏置的二極管和一個MOS電容并聯。當開關管開啟時,光敏二極管與垂直的列線(Column bus)連通。位于列線末端的電荷積分放大器讀出電路(Charge integrating amplifier)保持列線電壓為一常數,當光敏二極管存貯的信號電荷被讀出時,其電壓被復位到列線電壓水平,與此同時,與光信號成正比的電荷由電荷積分放大器轉換為電荷輸出。

主動式

主動式像素結構(Active Pixel Sensor.簡稱APS),又叫有源式,如圖2所示. 幾乎在CMOS PPS像素結構發明的同時,人們很快認識到在像素內引入緩沖器或放大器可以改善像素的性能,在CMOS APS中每一像素內都有自己的放大器。集成在表面的放大晶體管減少了像素元件的有效表面積,降低了“封裝密度”,使40%~50%的入射光被反射。這種傳感器的另一個問題是,如何使傳感器的多通道放大器之間有較好的匹配,這可以通過降低殘余水平的固定圖形噪聲較好地實現。由于CMOS APS像素內的每個放大器僅在此讀出期間被激發,所以CMOS APS的功耗比CCD圖像傳感器的還小。

填充因數

這填充因數(Fill Factor),又叫充滿因數,它指像素上的光電二極管相對于像素表面的大小。量子效率(Quantun efficiency)是指一個像素被光子撞擊后實際和理論最大值電子數的 歸一化 值。被動式像素結構的電荷填充因數通常可達到70%,因此量子效率高。但光電二極管積累的電荷通常很小,很易受到雜波干擾。再說像素內部又沒有 信號放大器 ,只依賴垂直總線終端放大器,因而讀出的信號雜波很大,其S/N比低,更因不同位置的像素雜波大小不一樣(固定圖形噪波FPN)而影響整個圖像的質量。而主動性像素結構與被動式相比,它在每個像素處增加了一個放大器,可以將光電二極管積累的電荷轉換成電壓進行放大,大大提高了S/N比,從而提高了傳輸過程中抗干擾的能力。但由于放大器占據了過多的像素面積,因而它的填充因數相對較低,一般在25%-35%之間。

影響因素

1.噪聲

這是影響CMOS傳感器性能的首要問題。這種噪聲包括固定圖形噪聲FPN(Fixed pattern noise)、 暗電流 噪聲、熱噪聲等。固定圖形噪聲產生的原因是一束同樣的光照射到兩個不同的 象素 上產生的輸出信號不完全相同。噪聲正是這樣被引入的。對付固定圖形噪聲可以應用雙采樣或相關雙采樣技術。具體地說來有點像在設計模擬放大器時引入差分對來抑制 共模噪聲 。雙采樣是先讀出光照產生的電荷積分信號,暫存然后對象素單元進行復位,再讀取此象素單元地輸出信號。兩者相減得出圖像信號。兩種采樣均能有效抑制固定圖形噪聲。另外,相關雙采樣需要臨時存儲單元,隨著象素地增加,存儲單元也要增加。

2.暗電流

物理器件不可能是理想的,如同亞閾值效應一樣,由于雜質、受熱等其他原因的影響,即使沒有光照射到象素,象素單元也會產生電荷,這些電荷產生了暗電流。暗電流與光照產生的電荷很難進行區分。暗電流在像素陣列各處也不完全相同,它會導致固定圖形噪聲。對于含有積分功能的像素單元來說,暗電流所造成的固定圖形噪聲與 積分時間 成正比。暗電流的產生也是一個隨機過程,它是散彈噪聲的一個來源。因此,熱噪聲元件所產生的暗電流大小等于像素單元中的暗電流電子數的平方根。當長時間的積分單元被采用時,這種類型的噪聲就變成了影響圖像信號質量的主要因素,對于昏暗物體,長時間的積分是必要的,并且像素單元電容容量是有限的,于是暗電流電子的積累限制了積分的最長時間。

為減少暗電流對圖像信號的影響,首先可以采取降溫手段。但是,僅對芯片降溫是遠遠不夠的,由暗電流產生的固定圖形噪聲不能完全通過雙采樣克服。現在采用的有效的方法是從已獲得的圖像信號中減去參考暗電流信號。

3.象素的飽和與溢出模糊

類似于放大器由于線性區的范圍有限而存在一個輸入上限,對于CMOS圖像傳感芯片來說,它也有一個輸入的上限。輸入光信號若超過此上限,像素單元將飽和而不能進行光電轉換。對于含有積分功能的像素單元來說,此上限由光電子積分單元的容量大小決定:對于不含積分功能的像素單元,該上限由流過光電二極管或 三極管 的最大電流決定。在輸入光信號飽和時,溢出模糊就發生了。溢出模糊是由于像素單元的 光電子 飽和進而流出到鄰近的像素單元上。溢出模糊反映到圖像上就是一片特別亮的區域。這有些類似于照片上的曝光過度。溢出模糊可通過在像素單元內加入自動泄放管來克服,泄放管可以有效地將過剩電荷排出。但是,這只是限制了溢出,卻不能使象素能真實還原出圖像了。

區別

CCD與CMOS傳感器是被普遍采用的兩種圖像傳感器,兩者都是利用感光二極管(photo diode )進行光電轉換,將圖像轉換為數字數據,而其主要差異是數字數據傳送的方式不同。

CCD傳感器中每一行中每一個象素的電荷數據都會依次傳送到下一個象素中,由最底端部分輸出,再經由傳感器邊緣的放大器進行放大輸出;而在CMOS傳感器中,每個象素都會鄰接一個放大器及A/D轉換電路,用類似內存電路的方式將數據輸出。

造成這種差異的原因在于:CCD的特殊工藝可保證數據在傳送時不會失真,因此各個象素的數據可匯聚至邊緣再進行放大處理;而CMOS工藝的數據在傳送距離較長時會產生噪聲,因此,必須先放大,再整合各個象素的數據 。

由于數據傳送方式不同,因此CCD與CMOS傳感器在效能與應用上也有諸多差異,這些差異包括:

靈敏度

由于CMOS傳感器的每個象素由四個晶體管與一個感光二極管構成(含放大器與A/D轉換電路),使得每個象素的感光區域遠小于象素本身的表面積,因此在象素尺寸相同的情況下,CMOS傳感器的靈敏度要低于CCD傳感器。

成本

由于CMOS傳感器采用一般半導體電路最常用的CMOS工藝,可以輕易地將周邊電路(如AGC、CDS、Timing generator、或DSP等)集成到傳感器芯片中,因此可以節省外圍芯片的成本;除此之外,由于CCD采用電荷傳遞的方式傳送數據,只要其中有一個象素不能運行,就會導致一整排的數據不能傳送,因此控制CCD傳感器的成品率比CMOS傳感器困難許多,即使有經驗的廠商也很難在產品問世的半年內突破50%的水平,因此,CCD傳感器的成本會高于CMOS傳感器。

分辨率

CMOS傳感器的每個象素都比CCD傳感器復雜,其象素尺寸很難達到CCD傳感器的水平,因此,當比較相同尺寸的CCD與CMOS傳感器時,CCD傳感器的分辨率通常會優于CMOS傳感器的水平。例如,市面上CMOS傳感器最高可達到210萬象素的水平(OmniVision的OV2610,2002年6月推出),其尺寸為1/2英寸,象素尺寸為4.25μm,但Sony在2002年12月推出了ICX452,其尺寸與 OV2610相差不多(1/1.8英寸),但分辨率卻能高達513萬象素,象素尺寸也只有2.78μm的水平。

噪聲

由于CMOS傳感器的每個感光二極管都需搭配一個放大器,而放大器屬于模擬電路,很難讓每個放大器所得到的結果保持一致,因此與只有一個放大器放在芯片邊緣的CCD傳感器相比,CMOS傳感器的噪聲就會增加很多,影響 圖像品質

功耗

CMOS傳感器的圖像采集方式為主動式,感光二極管所產生的電荷會直接由晶體管放大輸出,但CCD傳感器為被動式采集,需外加電壓讓每個象素中的電荷移動,而此外加電壓通常需要達到12~18V;因此,CCD傳感器除了在電源管理電路設計上的難度更高之外(需外加power IC),高驅動電壓更使其功耗遠高于CMOS傳感器的水平。舉例來說,OmniVision推出的OV7640(1/4英寸、VGA),在 30 fps的速度下運行,功耗僅為40mW;而致力于低功耗CCD傳感器的Sanyo公司推出的1/7英寸、CIF等級的產品,其功耗卻仍保持在90mW 以上。因此CCD發熱量比CMOS大,不能長時間在陽光下工作。

綜上所述,CCD傳感器在靈敏度、分辨率、噪聲控制等方面都優于CMOS傳感器,而CMOS傳感器則具有低成本、低功耗、以及高整合度的特點。不過,隨著CCD與CMOS傳感器技術的進步,兩者的差異有逐漸縮小的態勢,例如,CCD傳感器一直在功耗上作改進,以應用于移動通信市場(這方面的代表業者為Sanyo);CMOS傳感器則在改善分辨率與靈敏度方面的不足,以應用于更高端的圖像產品。

廠商

投入CMOS研發、生產的廠商較多,美國有30多家,歐洲7家,日本約8家,韓國1家,臺灣有8家。而居全球翹楚地位的廠商是Agilent(HP),其市場占有率51%、ST(VLSI Vision)占16%、Omni Vision占13%、現代占8%、Photobit約占5%,這五家合計市占率達93%。

Sony

Sony是全球CCD傳感器第一大廠,也是第一家投入12英寸 晶圓 、推出600萬象素CCD的公司,Sony約有30~40%的CCD傳感器供自有品牌產品使用,其它則賣給Canon、Sanyo、Casio、以及臺灣的新虹、普利爾、詮訊(與臺灣佳能合并)等廠商。

Sony的產品技術藍圖顯示,2003年除了800萬象素的ICX 456外,并無其它微縮工藝的產品問世。產品尺寸將大致保持現有水平,取而代之的是強化攝影功能與支持progressive scan(連續式掃描),例如500萬象素的ICX455/465、330萬象素的ICX451/481、以及210萬象素的ICX461等,令高端產品也能達到30fps以上的 數據傳送速率

高端產品的大部分市場仍被Sony占據,再加上市場仍處于供不應求的局面,公司并未急于做降低成本的動作,不過,一旦Sony最先進的工藝(象素尺寸2.6~2.8mm)達到成熟階段(成品率超過50%),該公司勢必近一步將此工藝應用到其它產品上(目前仍只有1/1.8英寸、500萬象素產品使用此工藝),屆時可能會有1/2.7英寸、400萬象素產品問世。

OmniVision

OmniVision成立于1995年(以下簡稱OV),2002年6月領先其它同業率先推出210萬象素的OV2610震驚市場,雖然目前采用此傳感器量產的產品并不多,但這已說明CMOS傳感器可以開始進入原本屬于CCD傳感器的中 高端數碼相機 市場; OV的數據顯示,目前已有天瀚、明、鴻友等臺灣商家開始采用該公司的OV2610。展望2003年,OV將在1季度~2季度之間推出330萬象素、1/2英寸的產品,采TSMC 0.18mm工藝生產,再次拓展CMOS傳感器的應用范圍。在移動電話市場上,CMOS模組的攝相模塊已經成為移動通訊應用的最大量產品。

在低功耗產品方面,OV也在2002年12巒瞥雋薕V7640,可以在2.5V的環境下運行,為目前VGA產品中功耗最低的芯片。而在2003 年新規劃的產品方面,OV計劃在下半年推出130萬象素、1/4英寸,以及VGA、1/7英寸的產品,希望在CCD廠家推出低功耗的130萬素產品之前,先行搶占市場先機。

Agilent

Agilent主要的產品為第二代的CIF(352*288)HDCS-1020和第二代的VGA(640*480)HDCS-2020,主要應用在數碼相機、 行動電話 、PDA、PC Camera等新興的資訊家電產品之中,此外Agilent在2000年另一成功策略是和Logitech與Microsoft這兩家公司策略聯盟,打入了 光學鼠標 產品領域,但是這是非常低階的CMOS產品,而且不是為了捕捉影像,所以在做影像感測器的全球統計時并未將此數量一并加入,但是此舉可看出Agilent以CMOS技術為基礎進軍光學元件的規劃意圖。

Aptina

Photobit在2000年獲得較大成功。2001年Photobit率先研發出PB-0330產品型號的CMOS圖像傳感器,此產品特色具備單一 晶片 邏輯轉數位的 變頻器 ,它是第二代1/4寸的VGA(640 x 480),同時也推出PB-0111產品型號的CMOS影像感測器,是第二代1/5寸的CIF(352 x 288)。Photobit推出這兩種產品主要針對數碼相機和PC Camera這些近年來蓬勃發展的數位化產品,和OmniVision CIF(352 x 288)定位在行動電話市場上有所區隔,其推出CIF(352 x 288)和VGA(640 x 480)這兩種不同解析程度的影像感測器,行銷范圍意圖含蓋低階和中高階市場。Photobit 后來被Micron(美光)收購。之后,Micron把圖像傳感器部門獨立出來,成立了現在的Aptina。

panavision

高品質工業CMOS圖像傳感器,主要產品DYNAMAX-11。這顆新的傳感器含有的全局電子曝光快門技術,極大地改善了工業成像在室內和室外的應用。這顆新發布的DYNAMAX-11圖像傳感器適合用于機器視覺、安防監控、智能交通、生命科學、生物醫療、科學影像、高清錄像、電視廣播等工業成像領域。這顆新發布的DYNAMAX-11圖像傳感器含有320萬像素,像素大小為5.0µm × 5.0µm。

其它公司

最具特色的是Sanyo,該公司致力于改善CCD 傳感器的功耗,以相機電話為主要應用目標,之前J-Phone率先推出的Sharp J-SHxx系列便是采用Sanyo的CIF級CCD傳感器,Sharp、Toshiba等手機廠家也計劃在02年4季度~03年1季度之間陸續引入 Sanyo的VGA產品。Matsushita、Sharp的產品規劃與Sony相差不多,主要差異在于Matsushita準備推出更小的400萬象素 (1/2.7英寸)與130萬象素(1/4英寸)產品。

發展前景

專家們認為,21世紀初全球CMOS圖像傳感器市場將在PC攝像機、移動通信市場、數碼相機、攝像機市場市場等領域獲得大幅度增長,在未來的幾年時間內,在130 萬像素至200萬像素之下的產品中,將開始以CMOS傳感器為主流。以小型化和低功耗CMOS圖像傳感器為核心的攝像機正在成為消費類產品的主流,上述領域將為圖像傳感器市場帶來巨大發展。

業界動態

2009年8月28日,索尼秋季數碼影像 新品發布會 在北京隆重舉行,索尼宣布在三條產品線推出共十款數碼影像新品。其中 DSC-TX1和DSC-WX1首次應用了新型 影像傳感器 Exmor R CMOS 影像傳感器,它采用先進的背照射技術,其對光線的靈敏度比傳統的CMOS影像傳感器提高了約2倍,大幅提升了拍攝畫質,得到明亮畫面的同時更好地降噪,使得在低照度條件下仍然可以獲得細節豐富的照片,造就卓越的夜間拍攝性能。該傳感器具備1020萬有效像素,支持從ISO100~ISO3200的感光度范圍,并支持720p的高畫質動態影像視頻拍攝。性能強大的Exmor R MOS配合BIONZ影像處理器,可以快速準確地處理海量信息,使DSC TX1和WX1具備了手持夜景模式、全景拍攝、動作防抖和每秒最高約10張。

三星電子公司提高CMOS傳感器靈敏度的背面照射(BSI:backside illumination)技術達到了實用化水平,2010年將批量生產產品。三家大型CMOS傳感器公司均將在2010年開始量產采用背面照射技術的 CMOS傳感器(BSI型CMOS傳感器)。三星在工藝技術方面將采用適于降低成本的方法。之所以著手從事BSI技術,是因為通過提高靈敏度能夠維持相同的靈敏度同時縮小像素間距。據該公司估算,1.4μm間距的BSI型能夠獲得與基于現有技術的FSI(Front Side Illumination)型1.75μm間距產品相同的畫質。同一像素間距,BSI型的靈敏度可以比FIS型高30%。三星為在今后量產1.1μm間距產品等間距更小的元件,將增加BSI型的比例。該公司計劃把2010年首批量產的BSI型CMOS傳感器做成支持1460萬像素和30幀/秒的元件。預計將配備于數碼相機、數碼攝像機及高端手機等設備上 。

發展趨勢

傳感器架構可由兩分式、四分式或一個像素陣列組成。輸出可為并行模擬輸出,或一個10位數字輸出或數字串行LVDS輸出。每個輸出可高達每秒5,000萬次的 采樣速度 ,這樣就能實現每秒55億像素的吞吐量。迄今為止,該圖像傳感器是具有最高連續像素吞吐量的一款。圖像質量至少達到10位精度,因此攝像頭數字化之后,數據吞吐量可為每秒55Gbit。這樣高速的應用通常需要6個 電晶體 快照像素,且需要較高的靈敏度和動態范圍。圖像傳感器的靈敏度很大程度上取決于像素尺寸,而大的像素尺寸就需要大面積特定應用的定制圖像傳感器。內部 多路復用技術 可支持更高幀速率的隨機窗口。如果將窗口大小縮至較小的ROI(圈選目標區域),那么最快速度器件的幀速率可達每秒170,000幀。大多數傳感器都采用0.25工藝。

目前,CMOS是高速成像所青睞的技術。在當前市場中,我們可以發現高速圖像傳感器有三大發展趨勢,一是向極高速方向發展,二是向片上特性集成方向發展,三是向通用高速圖像傳感器方向發展。

分辨率和幀速率相結合,發揮著重要的作用。目前,我們可以推出1024×1024像素的圖像傳感器,工作速度達到每秒5,000個全幀。如果模數轉換為10位的話,那么這就是說攝像頭上的總數據速率可達每秒55Gbit。為了實現傳感器上極高的數據速率和高圖像質量,尤其是對這種高敏感度的應用而言,我們不僅要設計出正確的電子線路,還要確保整個線路布局實現良好的平衡性。這就是說,電源線路應實現極佳的分布,而且布局中每個線路節點的所有光學和雜散光靈敏反應都應得到很好的控制。并需要采用低功耗模塊設計,以確保滿足整體功耗要求。

高速成像領域還有另一種趨勢,就是把高速 ADC 、時序發生器、LVDS發射器和校正算法的片上集成趨勢。這種圖像傳感器通常在速度和靈敏度方面不如上述圖像傳感器,但在易用性和系統集成功能方面頗有長處。目前市場上新興的第三種圖像傳感器就是通用高速圖像傳感器。具有模擬輸出或不具有時序發生器功能的老式(簡單式)通用圖像傳感器正在被速度更快、更復雜的圖像傳感器所取代。這種新型圖像傳感器使我們能在較短時間內就設計出通用高速攝像頭。

現在的一個普遍現象是,智能手機在更新迭代的時候總會帶來新的拍照解決方案,這樣一來就為CMOS圖像傳感器供應商提供了一個廣闊、潛力無限的市場。根據Yole Development公布的最新市場研究報告,CMOS傳感器行業將在未來5年內繁榮發展,2015年至2021年的復合年增長率預計將達到10.4%,屆時整個市場價值有望達到188億美元。

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中文名
CMOS傳感器
分類
數碼
類型
CCD 成像
中文學名
載體
原料
應用