图像传感器及其发展趋势研究.doc
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1、目录绪论.21 CCD图像传感器.21.1 CCD图像传感器优点.2 1.2 CCD图像传感器产品.3 1.3 CCD图像传感器发展现状.42 CMOS图像传感器.6 2.1 结构及工作原理.6 2.2 CMOS图像传感器优点.7 2.3 CMOS图像传感器产品.8 2.4 CMOS图像传感器的研究现状.93 CCD与CMOS传感器的比较.114 发展趋势.13绪论 随着科技的发展,不断产生的新技术,如纳米技术、半导体制造技术等,使得电路集成的规模日益庞大,导致数码技术的革新越来越快。目前,人们在数码产品上的消费比例越来越高,对产品的质量和个人体验要求越来越苛刻。大多数的数码产品,现在都有照像
2、和摄像功能,像素由原先的几十万,发展到400、500万甚至更高。作为照相机和摄像机的主要感光部分,图像传感器的发展尤为迅速。以产品类别区分,图像传感器产品主要分为CCD(Charge Coupled Device,电荷耦合元件)、CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor,金属氧化物半导体元件)及CIS传感器三种。根据元件的不同,可分为CCD和CMOS两大类。1 CCD图像传感器 CCD于1969年在贝尔试验室研制成功,之后由日商等公司开始量产,其发展历程已经将近30多年,从初期的10多万像素已经发展至目前主流应用的500万像素。CCD又可分为线型
3、(Linear)与面型(Area)两种,其中线型应用于影像扫瞄器及传真机上,而面型主要应用于数码相机、摄录影机、监视摄影机等多项影像输入产品上。1.1 CCD图像传感器优点一般认为,CCD传感器有以下优点: 高解析度(High Resolution):像点的大小为m级,可感测及识别精细物体,提高影像品质。从早期1寸、1/2寸、2/3寸、1/4寸到最近推出的1/9寸,像素数目从初期的10多万增加到现在的400500万像素。低杂讯(Low Noise)高敏感度:CCD具有很低的读出杂讯和暗电流杂讯,因此提高了信噪比(SNR),同时又具高敏感度,很低光度的入射光也能侦测到,其讯号不会被掩盖,使CCD
4、的应用较不受天候拘束。 动态范围广(High Dynamic Range):同时侦测及分办强光和弱光,提高系统环境的使用范围,不因亮度差异大而造成信号反差现象。 良好的线性特性曲线(Linearity):入射光源强度和输出讯号大小成良好的正比关系,物体资讯不致损失,降低信号补偿处理成本。高光子转换效率(High Quantum Efficiency ):很微弱的入射光照射都能被记录下来,若配合影像增强管及投光器,即使在暗夜远处的景物仍然还可以侦测得到。大面积感光(Large Field of View):利用半导体技术已可制造大面积的CCD晶片,目前与传统底片尺寸相当的35mm的CCD已经开始
5、应用在数码相机中,成为取代专业有利光学相机的关键元件。光谱响应广(Broad Spectral Response):能检测很宽波长范围的光,增加系统使用弹性,扩大系统应用领域。 低影像失真(Low Image Distortion):使用CCD感测器,其影像处理不会有失真的情形,使原物体资讯忠实地反应出来。体积小、重量轻:CCD具备体积小且重量轻的特性,因此,可容易地装置在人造卫星及各式导航系统上。低秏电力,不受强电磁场影响。电荷传输效率佳:该效率系数影响信噪比、解像率,若电荷传输效率不佳,影像将变较模糊。可大批量生产,品质稳定,坚固,不易老化,使用方便及保养容易。1.2 CCD图像传感器产品
6、 根据In-Stat在2001年对全球图像传感器的研究报告中指出,CCD产业前七大厂商皆为日系厂商,占了全球98.5%的市场份额,在技术发展方面,目前较有特色的主要厂商应为索尼、飞利普和柯达公司。 飞利普公司在CCD产品方面的优势为,具有业界最大尺寸的CCD传感器,在数码相机的应用中,其35mm尺寸的CCD已经应用在“Contax”的数码相机中,成为专业数码相机的代言人。其次该公司还具有独特的“Frame-Transfer CCD”(面扫描)技术,该产品在应用中,可实现每秒30-60幅的速率。这是真正视频信号的速度。 柯达的CCD采用了广受好评的ITO CCD技术,而不是传统的聚硅化合物。其特
7、点是敏锐度更高,透光性比一般CCD提高了20%,对于一般CCD感应较弱的蓝光以及抗杂讯干扰方面有突破性的改善,其对蓝光感应能力提高了2.5倍,同时大幅降低了杂讯干扰,使影像更强锐利、色彩更加准确,为专业数码摄影提供了高解析度、锐利度的影像。 传统CCD使用的是矩形的感光单元,而富士公司研制的“SuperCCD(超级蜂窝结构)使用的是八边形的感光单元,使用了蜂巢的八边形结构,因此其感光单元面积要高于传统CCD。这样会获得三个好处,一是可以提高CCD的感光度、二是提高动态范围、三是提高了信噪比。这三个优点加上SuperCCD更高的生成像素成为富士公司在数码相机产品上的最大卖点。1.3 CCD图像传
8、感器发展现状 1.3.1 CCD像元尺寸的缩小与灵敏度的提高 由于像元尺寸的减小, 输出电压饱和度和灵敏度也随之减小, 尤其是像元尺寸减小到2Lm以下, 有很大的灵敏度损失。许多图像传感器公司在缩小像元尺寸的同时, 针对上述问题提出了技术改进。比如通过Si3N4侧墙隔离缩小栅电极间距; 优化微透镜形状, 采用片上微透镜、无缝透镜、内嵌透镜以及复合透镜等技术; 运用低寄生电容的设计改善转换因子;采用背面光照技术等, 使饱和电压和灵敏度得到充分改善。 1.3.2 CCD中暗电流的改善 众所周知, 器件中界面态的存在较大地增加了暗电流与暗固定图案噪声。一种解决方法是, 采用埋沟器件结构, 虽然埋层沟
9、道较好地解决了界面态的问题, 但制造比较复杂。另一种解决方法是, 利用空穴对界面态的填充减小暗电流。当界面态被电荷充满后, 便不再产生任何暗电流。脉冲调制CCD一个像元的栅, 使MOS结构连续达到积累模式又返回深耗尽模式, 使界面偏置在积累模式时吸引足够的空穴来填充界面态, 这是利用电荷泵作用( Charge Pumping)来减小暗电流。这种方法也有一些局限性,主要表现在对时钟与温度的依赖, 在一个短暂的时钟周期后, 界面态释放其中的空穴又开始产生暗电流。而MPP(MultiphasePinning) CCD和AGP( All-GatesPinning)结构CCD可以较好的解决这一问题。通过
10、精心的电路设计、版图与加工可以使得MOS结构在积分周期内被强制为积累模式。只要CCD工作在积分或者曝光模式, 所有CCD的栅都偏置在低电位, 空穴就会被吸引到界面处消除由于未填充界面态而产生的暗电流。由于CCD的电荷传输远比界面态的弛豫时间快得多, 因此传感器在整个工作时期内, 都可以保持很低的暗电流。相比于以上对界面态的暂时性处理, 永久性地填充界面态可以解决由其产生的暗电流问题。空穴累积二极管( HAD)传感器感光结构被广泛采用, 对界面态进行永久性地填充来消除暗电流,也被称作针扎式或掩埋式光电二极管( Pinned or Buried Photodiode)。 1.3.3 当今移动与视频
11、应用催生CCD性能与技术进一步 进入到21世纪以来, CCD作为光学传感部件,被广泛地应用于数码相机与手机中。伴随着人们对成像质量的要求越来越高, 从CCD的噪声、漏光到抗光晕以及满足移动应用的高读出速率都受到广泛关注。为了满足视频模式应用以及移动拍摄的要求, 同时也需要低功耗、高灵敏度、低成本的百万像元CCD图像传感器, 许多图像传感器公司相继提出了改进技术。1.3.4 CCD中出现的一些独特的概念、结构与技术除了在原有的结构和技术上进行改进, 还提出了一些新颖的概念和方法来提高CCD的性能。在由更高时钟脉冲驱动的输出寄存器中利用碰撞电离实现电荷倍增, 可以确保CCD在非常低的光照条件下无需
12、增强器采集信号。为提高CCD的响应速率, 目前还提出了一种具有电荷存储和斜线转移的原位存储图像传感器( ISIS)结构的CCD。它不同于存储区为并行串( SPS)的ISIS结构CCD,单向传输极大地简化了栅和金属连线的结构, 因此存储面积最小, 存储的串行图像数目最大, 被认为是ISIS结构的终极设计。此结构较大地提高了CCD的响应速率, 降低了噪声, 拍摄帧速接近于存储CCD的传输速率。日本富士公司提出了一种新颖的像元交叉阵列( Pixel Interleaved Array)结构CCD, 也被称为超级CCD, 其原理图如图3所示。在PIA-CCD中, 相邻行的像元位移相错1/2交叉排列。像
13、元为八边形蜂窝状结构, 介于像元间的纵向转移线呈Z型。由于像元结构与微透镜的圆形结构十分接近, 因此它可以更好地吸收来自微透镜的光线。PIA-CCD在图像的横向与纵向都提高了分辨率,并且在像元间也不需要连线区, 与传统的CCD相比,在相同芯片尺寸和像元数量下, 它的光电二极管尺寸可以更大。目前富士公司已研制了4代PIA-CCD技术, 其像元结构如图4所示, 第4代技术CCD中每个微透镜都带有两个光电二极管, 分别捕捉黑色、正常光线标准信号和更高亮度的光信号, 再合成得到一张完整的照片。此技术将动态范围提升为传统CCD的两倍甚至更高。2 CMOS图像传感器CMOS图像传感器的研究始于20世纪60
14、年代末,受当时工艺技术的限制,发展和应用有限。直到20世纪90年代初,随着大规模集成电路设计技术和信号处理技术的提高,CMOS图像传感器才日益受到重视,成为固体图像传感器的研发热点。近几年来,随着集成电路设计技术和工艺水平的长足进步,CMOS图像传感器的一些性能指标已接近甚至超过CCD图像传感器。2.1 结构及工作原理CMOS 图像传感器的总体结构如图1所示,一般由像素阵列、行选通逻辑、列选通逻辑、定时和控制电路、在片模拟信号处理器(ASP)构成,高级的CMOS 图像传感器还集成有在片模数转换器(ADC)。行选通逻辑和列选通逻辑可以是移位寄存器,也可以是译码器,其中的行选通逻辑单元可以对像素阵
15、列逐行扫描也可隔行扫描。行选通逻辑单元与列选通逻辑单元配合使用可以实现图像的窗口提取功能。定时和控制电路限制信号读出模式、设定积分时间、控制数据输出率等。在片模拟信号处理器是完成相关双取样、信号积分、放大、取样/保持、 取样等功能,对信号进行放大处理,提高信噪比(SNR)。在片模数转换器是数字成像系统所必需的,CMOS 图像传感器可以是整个成像阵列有一个ADC或几个ADC(每种颜色一个),也可以是成像阵列每列各一个。外界光照射像素阵列,发生光电效应,在像素单元内产生相应的电荷。行选通逻辑单元根据需要,选通相应的行像素单元。行像素单元内的图像信号通过各自所在列的信号总线传输到对应的模拟信号处理单
16、元以及ADC,转换成数字图像信号输出。与CCD相比,这种结构提供了随机进入像元、以非常高的帧速率直接开窗口的能力,同时避免了CCD中大量电荷转移很长距离的情况。2.2 CMOS图像传感器优点 高分辨率 Photon Vision Systems公司于2002年4月开发出一种CMOS 图像传感器,它具有830万像素(38402160)的分辨率,比高清晰度电视的分辨率高4倍,比标准电视的分辨率高32倍。AptinaImaging于2008年9月发布了一款用于数码相机、数字视频和混合相机的新型千万像素CMOS图像传感器MT9J00133。MT9J001扩充了Aptina的高分辨率产品阵容,带来了更高
17、的图像质量和500万像素(MT9P001)、800像素(MT9E001)及900像素(MT9N001)等高清视频捕捉性能。高帧速 由于CMOS 图像传感器具有访问灵活的优点, 所以可以通过只读出感光面上感兴趣的很小区域来提高帧速率。斯坦福大学PDC(Programmable Digital Camera)研究小组开发的单片PDC, 在352288分辨率下, 其扫描速度可达10000 f/s;Dalsa公司宣称其生产的CMOS 图像传感器扫描速度最高可达20000 f/s;Micron公司的MT9M413C36ST 在12801024分辨率下可以达到0500 f/s 的帧速率, 部分扫描时可达1
18、0000 f/s;赛普拉斯半导体公司(Cypress)推出的几款高速CMOS 图像传感器,分辨率涵盖VGA 级到1000万像素的范围,而速度则支持500 f/s到10000 f/s。宽动态范围 以色列工业大学(Israel Instituteof Technology)的VLSI 系统研究中心将用于CCD的自适应敏感技术用于CMOS传感器中,使CMOS传感器的整个动态范围可达84 dB, 并在一个6464的芯片上进行了实验。意法半导体有限公司(ST)于2008年开发出动态范围高达120 dB的车载CMOS图像传感器VL-5510,无论是在进出隧道时明暗急骤变化的情况下还是在暗处,VL5510均
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- 图像传感器 及其 发展趋势 研究