摘要：主要概述SuperCCD、CMOS圖像傳感器、C3D、APDIS、ARAMIS、FoveonX3全色CMOS圖像傳感器、VMIS、薄膜ASIC圖像傳感器、SeeMOS圖像傳感器等新穎固體圖像傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀。此外，簡單介紹其應用市場和主要技術。
1、引言
固體圖像傳感器屬于光電子產業(yè)領域的光電子成像器件。隨著數(shù)碼技術、半導體器件制造技術、光電子技術及網(wǎng)絡技術的迅速發(fā)展，目前市場和業(yè)界都面臨跨越各平臺的視訊、影音、通訊大整合時代的到來，勾畫未來人類社會的美景。以其在日常生活中的應用而言，無疑要屬數(shù)碼相機、攝錄一體機和攝像機產品，其發(fā)展速度日新月異。短短幾年，數(shù)碼相機就由幾十萬像素發(fā)展到500萬像素、600萬像素甚至更高。不僅在發(fā)達的歐美國家數(shù)碼相機占有很大的市場，就是在發(fā)展中的中國，數(shù)碼相機的市場也在以驚人的速度增長，因此，其關鍵器件—固體圖像傳感器已成為當前和未來業(yè)界關注的對象，吸引著眾多廠商。以器件類別區(qū)分，固體圖像傳感器主要分為CCD、CMOS及CIS三種。有關CCD、CMOS及CIS的發(fā)展狀況、典型結構、性能參數(shù)、工作原理及其應用等。這里，主要簡單介紹最近幾年發(fā)展起來的固體圖像傳感器的最新發(fā)展現(xiàn)狀、應用市場和主要技術。
2、固體圖像傳感器的現(xiàn)狀
2.1 超級CCD
在傳統(tǒng)CCD中，光電二極管是矩形的，其尺寸受到限制。制造商們盡管不斷地增加像素以提高圖像質量，同時縮小像素和光電二極管面積，但是，光吸收的低效率已成為提高感光度、信噪比和動態(tài)范圍的另一個障礙。
為了尋求更好的解決方法，日本富士公司的科研人員對人類視覺進行了全面的研究，他們得到一個結論：像信息的空間頻率和功率都聚集在水平和垂直軸上，最低的功率在45°對角線上。根據(jù)這一理論研究結果，超級（Super）CCD[6]的像素都按45°角排列，形成蜂窩狀結構。控制信號通道被取消，為光電二極管留出更多的空間。光電二極管是八角形的，非常接近微透鏡的圓形，因此，可以更有效地吸收光。
SuperCCD把無助于影像記錄的空間減少到最低限度，感光效率、感光度和信噪比得到提高，動態(tài)范圍得以擴大。
SuperCCD的讀出采用水平跳躍讀出方式，雖然跳躍讀出像素會大大降低視頻圖像質量，但是，由于豎直線條讀出速度太慢，傳統(tǒng)CCD還必須在圖像輸出時采用跳躍讀出方式。而且，傳統(tǒng)CCD水平方向的像素只有兩種顏色，必須讀出兩行數(shù)據(jù)才能形成彩色。SuperCCD的每行像素包含紅、綠、藍（R、G、B）三種彩色，除了以1/2或其他比率進行垂直跳躍讀出外，還可以進行水平1/3跳躍讀出，可以獲得高質量的視頻輸出。與傳統(tǒng)CCD不同的是SuperCCD的電荷通道更加寬闊，能夠高速傳輸數(shù)據(jù)，因此，只要加簡單的電子快門控制，使得它具有進行快速精確連續(xù)拍攝的潛能，所有像素的數(shù)據(jù)即可一次讀出。自1999年第一代SuperCCD問世后，到2003年初已發(fā)展到第四代SuperCCD，用該器件開發(fā)的數(shù)碼相機的攝像效果已達到人眼的視覺效果。
2.2 CMOS圖像傳感器
CMOS圖像傳感器的研究始于20世紀60年代末，由于受當時工藝技術的限制，直到90年代初才發(fā)展起來，至今已研制出三大類CMOS圖像傳感器，即CMOS無源像素傳感器（簡稱CMOSPPS）、CMOS有源像素傳感器（簡稱CMOSAPS）和CMOS數(shù)字像素傳感器（簡稱CMOSDPS）。在此基礎上又問世了CMOS視覺傳感器、CMOS應力傳感器、對數(shù)極性CMOS傳感器、CMOS視網(wǎng)膜傳感器、CMOS凹型傳感器、對數(shù)變換CMOS圖像傳感器、軌對軌CMOS有源像素傳感器、單斜率模式CMOS圖像傳感器和CMOS指紋圖像傳感器、FoveonX3全色CMOS圖像傳感器、VMISCMOS圖像傳感器等。
CMOS圖像傳感器具有多種讀出模式。整個陣列逐行掃描讀出是一種普通的讀出模式，這種讀出方式和CCD的讀出方式相似。窗口讀出模式是一種針對窗口內像素信息進行局部讀出的模式，這種讀出模式提高了讀出效率。跳躍式讀出模式同SuperCCD一樣，以降低分辨率為代價提高讀出速率，采用每隔一個或多個像素讀出的模式。
2.3 CMOS圖像傳感器的新技術—C3D
C3D（CMOSColorCaptiureDevice）是新一代半導體成像技術，它不僅提高了像素設計技術[9]，也改進了生產工藝。采用0.25μmCMOS工藝生產的這種CMOS圖像傳感器，可以在保全性能的前提下增加晶體管的數(shù)量和填充系數(shù)。除了增加像素設計的選擇方案外，還可實現(xiàn)更加復雜的功能和更低的功耗。在速度方面也有很大的優(yōu)勢。
對于設計人員而言，為了最大限度地提高產品質量，設計時合適的權衡取舍是至關重要的。就圖像傳感器而言，量子效率是非常重要的，但暗電流和串擾同樣不可忽視。C3D的核心技術對上述的CMOS圖像傳感器所存在的固定圖像噪聲、像素間的串擾及暗電流等缺陷均有所改善。此外，還降低了對支持電路的依賴程度。
C3D技術的最大特點就是像素響應的均勻性。C3D技術重新定義了成像器的性能（把系統(tǒng)的整體性能包括在內），提高了CMOS圖像傳感器在均勻性和暗電流方面的標準性能。C3D技術是針對具體應用來設計圖像傳感器的，因此，系統(tǒng)設計人員可借助它來完成片上功能集成，根據(jù)現(xiàn)有的系統(tǒng)參數(shù)進行設計，提高系統(tǒng)的整體性能。采用C3D技術的另一個設計上的好處是利用片上集成陣列的處理能力大幅度減少后續(xù)的圖像處理器。
2.4 APD圖像傳感器
瑞士聯(lián)邦技術學院電子學實驗室的AliceBiber和PeterSeitz等人采用1.2μm標準Bi-CMOS工藝研制成功雪崩光電二極管圖像傳感器（APDIS），每個像素由雪崩光電二極管（APD）、高壓穩(wěn)定電路和圖像讀出電子部件組成。與常規(guī)CMOS有源像素傳感器比較，集成APD像素現(xiàn)存的反饋電阻器將由反饋電容器代替，放大器的熱噪聲為Vnamp=30nV/Hz1/2，源跟隨器的熱噪聲Vnsf=17nV/Hz1/2,C=200fF時，復位噪聲的計算值為144μV；增益為1和15時，APD的噪聲（inAPD）分別為3.2×10－33A2/Hz和14.4×10－27A2/Hz。每個球形結構的APD的外部直徑為48μm，像素數(shù)為12×24，芯片尺寸為2.4mm×2.4mm，總的像素尺寸為154μm×71.5μm。用該器件已組裝成首臺APD攝像機，拍攝出清晰的黑白圖像。
推動固體圖像傳感器發(fā)展的原動力是數(shù)碼相機、攝像機和移動電話。現(xiàn)在，固體圖像傳感器技術開發(fā)的焦點是從CCD完全轉移到CMOS圖像傳感器，CCD和CMOS圖像傳感器的生產預測如圖1所示。
3、固體圖像傳感器的進展
3.1 CMOS圖像傳感器的新技術—ARAMIS
我國臺灣省的ElecVision公司研制的異步隨機存取MOS圖像傳感器（簡稱ARAMIS）是新型的平面型CMOS圖像傳感器，在單芯片內整合圖像感光陣列、A/D轉換電路、數(shù)字接口及其他控制邏輯電路，在3.3V或5V單一電源下工作。ARAMIS結構的CMOS圖像傳感器使數(shù)碼相機系統(tǒng)可以簡化到圖像傳感器＋微處理器＋存儲器等3個芯片。為仿真機械快門而開發(fā)的電子快門，可執(zhí)行片上矩陣測光模式，不需要多余的外加測光電路，允許所有像素在同一時刻曝光。傳統(tǒng)的CMOS圖像傳感器采用行基準方式的曝光方式，每一行的所有像素在同一時刻曝光，而不同行上的像素不在同一時刻曝光，因此，在拍攝快速運動物體時會產生圖像扭曲，而ARAMIS可以很好地解決這一問題。因為采用ARAMIS技術的好處之一是可以更精確地再現(xiàn)活動目標。運動中的目標仍能保持它們的正確形狀。
3.2 多層感色的X3技術
2002年2月11日，美國Foveon公司發(fā)表了全新的圖像傳感器多層感色技術——具備VPS（可變像素尺寸）的FoveonX3技術，立即引起業(yè)界的高度關注。2000年—2003年，F(xiàn)oveon公司采用0.18μmCMOS工藝研制出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代表每個像素有三種色彩）像素的FoveonX3全色CMOS圖像傳感器，該公司獨特的X3技術可在一個像素上同時獲得紅、綠、藍三種顏色信號，其產品主要面向專業(yè)攝影和業(yè)余愛好者等消費市場。FoveonX3是全球第一款可以在一個像素上捕捉全部色彩的圖像傳感器陣列。傳統(tǒng)的光電耦合器件只能感應光線強度，不能感應色彩信息，需要通過濾色鏡來感應色彩信息，我們稱之為Bayer濾鏡。而FoveonX3在一個像素上通過不同的深度來感應色彩，最表面一層感光藍色、第二層感應綠色，第三層感應紅色。它是根據(jù)硅對不同波長光線的吸收效應來達到一個像素感應全部色彩信息，這種圖像傳感器采用VPS技術，允許支持X3的數(shù)碼相機捕獲高分辨率靜態(tài)圖像及完全動態(tài)視頻。圖像質量優(yōu)于35mm膠片及數(shù)碼攝相機。目前，已經(jīng)有使用這種技術的全色CMOS圖像傳感器，其產品是“SigmaSD9”數(shù)碼相機。
這項革新技術可以提供更加稅利的圖像，更好的色彩。FoveonX3是第一款通過內置硅光電傳感器來檢測色彩的，對于傳統(tǒng)半導體感光技術是很大的突破，發(fā)展前景非常好。
3.3 VMIS手機用影像模塊
電壓調制圖像傳感器（簡稱VMIS）是Innotech公司正在開發(fā)的新產品。普通的CMOS圖像傳感器，每個像素要用三塊MOS器件，而VMIS每個像素只用一塊。這種產品只有約8mm（1/4英寸）大，31萬像素，面積為5.6μm×5.6μm，可大大減少圖像傳感器的尺寸。據(jù)報道，該芯片不僅圖像質量接近CCD，而且功耗也很低。2002年，Innotech公司研制成功VMISCMOS圖像傳感器，像素數(shù)為1360×1024，像素尺寸為4.2μm×4.2μm，飽和輸出信號為500mV，靈敏度為300mV/lx·s，拖影為－100dB。Innotech公司將開發(fā)出1/4英寸，具有80萬～100萬像素的VMIS。許多廠商都對VMIS給于厚望，期待它早日應市。
3.4 薄膜ASIC圖像傳感器
德國西根大學半導體電子學研究所采用0.7μmCMOS工藝，PECVD超高真空系統(tǒng)及薄膜專用集成電路（TFA）技術，設計和制造了寬動態(tài)范圍圖像傳感器。該圖像傳感器由兩部分組成：氫化非晶硅（a-Si:H）薄膜光電探測器和專用集成電路（ASIC）。a-Si:H薄膜是在PECVD超高真空中制成的，而ASIC使用標準CMOS技術制備，這是繼CMOS圖像傳感器問世之后最新開發(fā)成功的新型傳感器。同CMOS圖像傳感器一樣，已經(jīng)引起人們的重視。薄膜專用集成電路（TFA）圖像傳感器由正面電極、a－Si:H背面電極、絕緣層和專用集成電路等組成。像素數(shù)分別為368×256、495×128、1024×108，像素尺寸為30μm×38μm和10μm×10μm，芯片尺寸為16.5mm×14.9mm和16.6mm×12.6mm，動態(tài)范圍為60dB～125dB，對于368×256像元器件，暗電流為3×10－9A/cm2，動態(tài)范圍為125dB，信噪比為71dB。
3.5 SeeMOS圖像傳感器
Philips半導體公司的SeeMOS圖像傳感器UPA1021是一種具有VGA分辨率（640H×480V）的高度集成的1/4英寸CMOS圖像傳感器。該傳感器利用Philips的SeeMOS技術實現(xiàn)高分辨率和低噪聲。它在12MHz的頻率下輸出可達30幀/秒。其特殊的微透鏡陣列設計將填充因子提高了2倍，同時，利用Philips的DSP電路SAA8116GRBBayer CFA（彩色濾波器陣列）提供色彩元素以實現(xiàn)色彩再現(xiàn)。
該傳感器可以通過I2C的串行接口進行數(shù)字編程，并配備一個PGA（可編程增益放大器），提供高達24dB的增益，在高分辨輸出下可實現(xiàn)每秒0.094dB的分辨率和9位的ADC（模/數(shù)轉換器）。它適合于在各種光照明條件下工作，SeeMOS成像傳感器已用于PC攝像機。
4、固體圖像傳感器的市場
4.1 在移動終端的應用
固體圖像傳感器最有市場前景的應用領域是移動電視電話、筆記本電腦等移動終端的移動圖像商品群、電視攝像機、數(shù)碼相機等。這些個人儀器的市場規(guī)模很大。另一方面，隨著通信網(wǎng)絡傳送線路的帶寬的不斷擴展，這種大容量通信線路有可能從家庭和個人向世界進行動態(tài)圖像傳送。而且支持圖像通信的低比特率的圖像通信方式的MPEG4標準化等也已實用化。這為固體圖像傳感器的應用敞開了大門。
4.2 在安保領域的應用
在IT化進展以后，個人方便進行信息發(fā)送和電子商務也成了問題。為了在網(wǎng)絡上安全進行電子商務，人們開發(fā)了叫做生物計量安全技術的個人認證技術，不僅能把口令而且能把個人一生中普遍具有的臉部特征、聲音、虹彩圖樣等作為認證手段的技術。在這些應用中，為了避免外來光的影響，提高識別精度，往往采用近紅外線攝像。特別是CMOS圖像傳感器，可用作近紅外圖像識別圖像輸入裝置。
4.3 在基礎交通設施中的應用
世界各國都在開發(fā)交通方面的ITS（智能交通系統(tǒng)）。這可以理解為包括汽車在內的交通信息網(wǎng)絡，是大規(guī)模進行交通管理和控制能量消費的系統(tǒng)。現(xiàn)在正在進行許多攝像機應用儀器的開發(fā)，例如高速公路交通量的監(jiān)視、隧道內的監(jiān)視、交叉點的監(jiān)視、收費站的自動化等。從車輛方面來看，有車輛駕駛狀態(tài)監(jiān)視器（脫離行車路線監(jiān)視）、駕駛員打瞌睡監(jiān)視、為自動駕駛的行車線和障物識別、實時記錄事故狀況的記錄儀等等。估計每一輛汽車需使用5臺～6臺攝像機。
4.4 在其他方面的應用
在ITS方面開發(fā)的攝像機都要直接滿足監(jiān)視攝像機的規(guī)格。雖然監(jiān)視攝像機要由人來觀察攝像裝置的圖像信號，但也可以成為與圖像處理裝置相結合的機器視覺裝置。預計組裝進特定處理電路的攝像機和與誰都會使用的無線技術相結合的攝像機將會形成新的市場。
在玩具、游戲機、娛樂儀器領域的攝像機也會有廣闊的應用前景。固體圖像傳感器的應用領域如圖2所示。
5、主要技術
究竟是CCD好還是CMOS圖像傳感器好，這是個既老又新的問題，早在十多年前就在爭論。當時，似乎認為CCD是固體圖像傳感器的代名詞，但是，實際上第一個家庭用攝像機是采用MOS型圖像傳感器制成的。CMOS圖像傳感器根據(jù)像素的組成可以分成無源型和有源型，當時開發(fā)的MOS型是無源型，這是通過X—Y地址開關讀出積累在光電二極管上信號電荷的型式。這種MOS開關的熱噪聲是致命的。因此，在當時的爭論中，CCD圖像傳感器取得勝利。
另一方面，有源型的CMOS圖像傳感器在像素中集成了放大器，因此，可以降低噪聲。但是，在一個像素上要集成一個放大器，當時是難以實現(xiàn)的。然而，最近，提到CMOS圖像傳感器，往往是指這種有源型。有源型CMOS圖像傳感器與CCD圖像傳感器的性能如果進行比較，那么，在靈敏度、隨機噪聲、固定圖像噪聲方面，CCD較好，CMOS圖像傳感器較差。而在單一電源、功耗、集成化、多功能化、成本和抗光暈等方面，CMOS圖像傳感器較好，CCD圖像傳感器較差。
CMOS固體圖像傳感器的特征基于CMOS技術，并且具有可以應用存儲器等迅速發(fā)展的CMOS技術的優(yōu)點。此外，CCD基本上只能讀出串行的信號，而CMOS圖像傳感器可以隨機存取、成組存取，并可實現(xiàn)其他電路的功能。為了消除噪聲，開發(fā)了相關雙重取樣法等。為了提高靈敏度，還研究出增大光電二極管面接合深度或采用埋入型光電二極管的方法。不拘泥于標準CMOS工藝，比如追加工序，試圖改善像質方面也進行了研究。
回顧CCD的發(fā)展歷史，除了著意提高像素外，在技術開發(fā)上并沒有太大突破。進入2000年后，CCD技術的發(fā)展一下子加快起來，新型結構的CCD不斷進入市場，CCD的缺點也在改善，例如低耗電、多功能化、低價格化和多層感色等。CCD圖像傳感器并沒有退出市場，其市場份額仍然很大。在數(shù)碼相機和攝像機市場仍將以CCD為主要的成像器件。與此同時，CMOS圖像傳感器也進入高速發(fā)展的階段，在數(shù)碼相機和攝像機市場隨處可見。
6、結論
現(xiàn)在比較流行的固體攝像器件主要是CCD、CID、superCCD和CMOS，兼?zhèn)銫CD與CMOS圖像傳感器的FoveonX3多層感色CCD、FoveonX3全色CMOS圖像傳感器、VMISCMOS圖像傳感器也有望脫穎而出。視覺信息約占五官接收信息總量的80％，因此，在信息社會中，固體圖像傳感器在國民經(jīng)濟和人民生活中所起的作用越來越大，應用領域不斷擴大。今后，CMOS圖像傳感器的發(fā)展會更快，但它不可能完全代替CCD，各有所長。固體圖像傳感器將進一步向多功能化、單芯片化、多層感色、全色和智能化方向發(fā)展。
