新颖固体图像传感器的发展及应用
发布时间:2008/5/29 0:00:00 访问次数:529
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
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cmospps）、cmos有源像素传感器(简称cmosaps）和cmos数字像素传感器（简称cmosdps）。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
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
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cmospps）、cmos有源像素传感器(简称cmosaps）和cmos数字像素传感器（简称cmosdps）。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。
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