圖像傳感器的最新技術(shù)和發(fā)展趨勢

不管是最新的手機還是大型天文望遠鏡，固態(tài)成像器件幾乎能滿(mǎn)足目前所有圖像捕獲的需求。像素變小能使現有的VGA和數百萬(wàn)像素傳感器尺寸減小，但是具有數千萬(wàn)像素的大型靜態(tài)傳感器更容易制造。在最近幾年中，基于CMOS技術(shù)的圖像傳感器已成為消費類(lèi)產(chǎn)品的選用技術(shù)。在分辨率為VGA到800萬(wàn)像素的成像器件中，它們比電荷耦合器件(CCD)傳感器具有更高的成本和性能優(yōu)勢。不過(guò)，在800萬(wàn)像素以上的市場(chǎng)中，CCD仍占絕對優(yōu)勢，因為CCD的噪聲更低，靈敏度更高(圖1)。

CCD傳感器在工業(yè)和醫療應用中也占據著(zhù)統治地位，因為這些領(lǐng)域追求的是高幀速率，而不是高分辨率。芯片架構范圍從數千像素的簡(jiǎn)單線(xiàn)性陣列到數百萬(wàn)像素陣列。Fairchild Imaging、Fraunhofer-IMS、Hamamatsu、柯達和Saroff Labs都能提供滿(mǎn)足這一市場(chǎng)需求的解決方案。

CMOS傳感器利用CMOS技術(shù)的工藝擴展性能，以及圖像處理器和模數轉換器(ADC)等更強的集成邏輯功能，來(lái)實(shí)現一套完整的“片上相機”解決方案。由于CMOS傳感器的像素尺寸已經(jīng)減小到每邊小于3um，因此設計工程師可以在與上一代VGA傳感器相同的芯片面積上，設計出更小的VGA分辨率傳感器或具有數百萬(wàn)像素的傳感器。

圖1：在800萬(wàn)像素以上的市場(chǎng)中，CCD仍占絕對優(yōu)勢，因為CCD的噪聲更低，靈敏度更高。

另外，在未來(lái)幾年中，汽車(chē)安全應用將開(kāi)始消費數量巨大的低成本成像器件。輔助照相機、駕駛員打瞌睡警報、安全氣囊及其它應用都將利用圖像數據，來(lái)更好地保護駕駛員。

光刻和像素設計的進(jìn)一步發(fā)展將提供更好的可擴展性，使設計工程師能設計出具有更高分辨率的器件。關(guān)鍵挑戰在于在光源捕獲面積縮小的同時(shí)保持像素單元的靈敏度。此外，如果捕獲到的光能量較低，則必須降低背景噪聲，以有效保持足夠的信噪比。因此，工藝開(kāi)發(fā)人員必須重點(diǎn)減少半導體材料中固有的熱噪聲和其它噪聲源，以有效提高信噪比。

CMOS傳感器中的每個(gè)像素都有各自的電荷到電壓轉換過(guò)程。傳感器通常包含放大器、噪聲校正和數字化電路，這樣芯片輸出的就是數字比特。這些額外的功能將增加設計的復雜性，并可能減少可用于光捕獲的面積。由于每個(gè)像素都進(jìn)行各自的轉換，所以像素與像素之間的一致性比較差。但通過(guò)利用片上邏輯，可以構建一個(gè)僅需少量外圍電路就能實(shí)現基本操作的芯片，。

CCD傳感器的工藝不像CMOS那樣靈活，大多數CCD傳感器需要數量可觀(guān)的外部支持電路。在不惜犧牲系統尺寸而追求圖像質(zhì)量(用量子效率和噪聲來(lái)衡量)的照相、科學(xué)以及工業(yè)應用中，傳統上由CCD傳感器提供性能基準。

使用CMOS和CCD傳感器的應用類(lèi)型沒(méi)有明顯的分界線(xiàn)。當CMOS設計工程師花大力氣提高圖像質(zhì)量時(shí)，CCD設計工程師則將重點(diǎn)放在減少功耗和像素尺寸上，以便在低端產(chǎn)品市場(chǎng)中與CMOS器件一決高低。CMOS傳感器的主要優(yōu)勢是成本低，因為它可以采用主流的CMOS制造工藝。

高端成像應用領(lǐng)域主要采用1,400至8,100萬(wàn)以上像素的CCD成像器件。在500萬(wàn)到1,400萬(wàn)像素的應用中，CMOS和CCD成像器都可以選用，但更多的還是CMOS解決方案。低于500萬(wàn)像素的CCD成像器仍有一些，但隨著(zhù)CMOS成像器完全占領(lǐng)這部分市場(chǎng)，這種CCD成像器將變得越來(lái)越少。

圖2：這種由Foveon公司開(kāi)發(fā)的直接圖像傳感器技術(shù)類(lèi)似于彩色底片。它在硅片上堆疊三個(gè)特定于顏色的像素層，而不是在傳統的X-Y柵格上分布像素，它不再需要顏色過(guò)濾層來(lái)分離顏色。

CMOS傳感器的最新技術(shù)

Foveon公司采用了一種很獨特的CMOS成像器設計方法。它并不采用覆蓋了顏色過(guò)濾層的單層像素，而是采用硅片中共有三層像素的X3架構(圖2)。這種直接圖像傳感技術(shù)可以在單次曝光過(guò)程中直接捕獲圖像中每個(gè)點(diǎn)的紅光、綠光和藍光，因此單個(gè)像素區域就能捕獲全部三原色。相反，大多數CMOS和CCD傳感器在像素頂部使用顏色過(guò)濾層，這些顏色過(guò)濾層形成馬賽克形狀的三像素簇，以捕獲三原色。Foveon公司的方案基于不同波長(cháng)的光在硅片中不同深度處被吸收這一原理，因此每個(gè)垂直堆疊的紅、綠和藍像素可以直接捕獲圖像中每個(gè)點(diǎn)的所有光。

最大的X3傳感器有1,000萬(wàn)個(gè)像素。其垂直堆疊的像素要比采用顏色過(guò)濾層的傳統X-Y陣列小很多。這種傳感器消耗的功率也很少，非常適合許多數字靜止照相機(DSC)。它采用2.5V供電，讀數據時(shí)的功耗為50mW，待機和斷電時(shí)的功耗分別為10mW和0.1mW。

一個(gè)像素區域能夠處理三個(gè)像素層的工作。由于像素尺寸可以改變，所以這種傳感器能夠在兩種模式之間無(wú)縫切換，一種模式是以最大分辨率捕獲靜止圖像，一種模式是以較低分辨率捕獲數字視頻。這種模式切換是通過(guò)控制信號將相鄰像素組成1×2、2×2或4×4等這樣的像素簇而實(shí)現的。

像素簇越大，靈敏度就越高，這是因為有更多的像素收集來(lái)自圖像中同一個(gè)點(diǎn)的光。在全分辨率模式下，傳感器的捕捉速率為4.4幀/秒，而在576×384像素分辨率模式中，捕捉速率高達25幀/秒。

成像芯片上的附加電路為系統設計工程師提供了高度靈活的片上讀出系統，該系統可以簡(jiǎn)化數字縮放、場(chǎng)景測光等功能的實(shí)現。該芯片還可以通過(guò)軟件實(shí)現被Foveon稱(chēng)為填光(Fill Light)的功能，從而大大提高受復雜光線(xiàn)條件影響的圖像質(zhì)量。在該方案中，軟件可以模擬在陰影區域增加額外光照的同時(shí)保留高亮區域細節的攝影技術(shù)。

雖然這些高分辨率傳感器代表了業(yè)界目前最高水平，但高昂的價(jià)格使它們被手機、網(wǎng)絡(luò )相機和消費級靜止圖像照相機(一般在600萬(wàn)像素以下)等大眾市場(chǎng)產(chǎn)品拒之門(mén)外。但隨著(zhù)傳統CMOS傳感技術(shù)的發(fā)展，CMOS傳感器的分辨率和靈敏度在不斷提高，與此同時(shí)芯片尺寸也在進(jìn)一步縮小以降低芯片成本。

賽普拉斯公司的CYIHDSC9000AA是一款用于高端消費類(lèi)DSC的900萬(wàn)像素彩色傳感器，它采用130nm設計工藝標準，可以提供6.4um的像素間距。該傳感器能夠滿(mǎn)足高級攝影標準要求，成像陣列由3710×2434像素組成，占用面積為23.3×15.5mm²。這種產(chǎn)品能夠支持的有效焦距是全幀35mm照相機的1.5倍。賽普拉斯公司還提供單色版的傳感器。彩色傳感器在全分辨率下可以支持5幀/秒的速率，在VGA分辨率下可支持20幀/秒的速率。

在最近舉行的IEEE國際固態(tài)電路會(huì )議(ISSCC)上，索尼發(fā)布的一款640萬(wàn)像素圖像傳感器據稱(chēng)能支持60幀/秒的最高幀速率。該芯片的Z字型4像素共享機制提供了高效的1.75晶體管/像素架構。片上10位計數器類(lèi)型列并行ADC提供數字化的像素數據。由于采用180nm設計標準制造，像素只有2.5um²。此外，成像陣列可以在全幀和2×2組合模式之間切換，無(wú)需插入額外的無(wú)效幀，從而可避免集成時(shí)間不一致。

三星也在ISSCC上展示了略大一些的720萬(wàn)像素傳感器。該傳感器也使用4像素共享結構，但它采用了130nm設計標準和鑲銅工藝，能有效降低像素高度，并提高光學(xué)效率。

圖3：東芝的ED8E99-AS圖像傳感器具有320萬(wàn)像素，集成了自動(dòng)瑕疵校正和檢測、增益控制、鏡頭陰影校正功能，可簡(jiǎn)化照相子系統設計。

500萬(wàn)像素成主流

對主流DSC應用來(lái)說(shuō)，500萬(wàn)像素分辨率的傳感器將在消費類(lèi)大眾市場(chǎng)中占據主要份額。同時(shí)，照相手機也將采用CMOS傳感器，這意味著(zhù)2006年的高端手機將集成500萬(wàn)像素的成像器。

柯達、美光和OmniVision Technology公司是500萬(wàn)像素傳感器的主要提供商。最近在拉斯維加斯舉辦的消費電子展中，新創(chuàng )的Planet82公司展示了一種基于納米技術(shù)的新型500萬(wàn)像素傳感器，該傳感器能夠在極低的光強環(huán)境下工作。

去年底柯達推出了KAC-5000。這款500萬(wàn)像素的傳感器采用1/1.8英寸的光學(xué)格式，目標市場(chǎng)是主流DSC。它采用2.7um²的像素和柯達創(chuàng )新的Pixelux技術(shù)，該技術(shù)將小型光電二極管、四晶體管像素和共享像素架構結合在一起，以便在低光照條件下提供很高靈敏度。該傳感器在全分辨率模式下的捕獲速率為6幀/秒，在VGA分辨率下的速率超過(guò)30幀/秒。

使小型光電二極管以地為基準可以降低暗電流。為改善頻譜響應性能，傳感器通過(guò)真正的相關(guān)雙倍采樣機制消除熱源噪聲。因為共享像素架構允許進(jìn)行組合，所以4個(gè)相鄰像素可以組合起來(lái)形成較大的像素，以在低光照條件下更好地捕獲圖像。動(dòng)態(tài)功耗比較適中，約150mW。但0.5mW的待機功耗卻為美光和OmniVision器件的10倍左右。

美光的 500萬(wàn)像素傳感器MT9P001，采用更大的1/2.5英寸光學(xué)格式，能夠以12幀/秒的速率捕捉全分辨率圖像，或者以30幀/秒的速率捕捉VGA分辨率的視頻。MT9P001基于該公司的Digital-Clarity技術(shù)，其功耗不超過(guò)260mW，非常適合DSC和手機應用。

被配置成2592×1944單元的2.2um²的小像素，能使芯片的暗電流保持在每秒僅20個(gè)電子，從而使背景噪聲降至最低。小尺寸像素還可以轉換成只有5.7×4.28mm²大小的小塊成像區域，而且60dB的動(dòng)態(tài)范圍比柯達器件的52dB高出許多。

MT9P001還配置有片上12位ADC，因此可以直接向主機系統提供數字化數據。電子旋轉快門(mén)能使芯片能夠快拍或捕獲連續視頻。另外，這款成像芯片還直接集成可編程增益、幀速率、曝光時(shí)間、圖像鏡像、取景器和快照模式等許多高級照相功能。

OmniVision OV5610 517萬(wàn)像素照相芯片則配置了類(lèi)似大小的像素陣列和片上ADC(10位，美光的器件是12位)。但與柯達芯片一樣，它采用1/1.8英寸的光學(xué)格式和類(lèi)似大小的像素。雖然這款芯片是三者中速度最慢的，但在全分辨率下也能達到4幀/秒的速率。片上電路和算法消除了固定模式噪聲和拖尾效應，并且極大減少了過(guò)度曝光(blooming)和暗電流現象。另外，它具有光學(xué)黑色校準功能，能達到與美光傳感器相當的60dB動(dòng)態(tài)范圍。

OV5610的工作功耗約140mW，待機功耗在35uW以下，因此非常適合單獨的照相機和拍照手機使用?？刂萍拇嫫髂軌蜃屧O計工程師更加靈活地使用定時(shí)、極性以及可編程自動(dòng)曝光、增益控制和自動(dòng)白平衡等芯片功能。

Planet82公司的方案采用了一種被該公司稱(chēng)為單載波調制光電檢測器(SMPD)的技術(shù)。采用這種技術(shù)的圖像傳感器就像人造眼一樣，可以在幾乎全黑的環(huán)境中不用閃光燈就能捕獲圖像。像素單元基于量子晶體管結構，而不是PN結二極管，因此與CMOS或CCD傳感器相比，它的靈敏度要高出三個(gè)數量級。

該傳感器在光強度小于1lux(勒克斯)的環(huán)境下不用閃光就能捕捉到圖像，比人眼的分辨力還強。這種技術(shù)還能最小化像素區域的孔徑比，從而使片上單位面積的像素更多。這種技術(shù)使芯片的尺寸比采用相同設計工藝的CMOS傳感器更小，功耗也更低，500萬(wàn)像素傳感器的典型功耗約82mW。Planet82公司有望在2006年中期開(kāi)始提供樣品。

在分辨率為300萬(wàn)和低于300萬(wàn)像素的傳感器市場(chǎng)中，目前已有越來(lái)越多的供應商在競爭300萬(wàn)和100萬(wàn)像素傳感器這個(gè)“香餑餑”。賽普拉斯、柯達、Magnachip、美光、OmniVision和東芝公司正在300像素傳感器上展開(kāi)激烈競爭。Avago Technologies(以前是安捷倫的一部分)、夏普和意法半導體公司也現身在200萬(wàn)和低于200萬(wàn)像素的傳感器市場(chǎng)中。

傳感器發(fā)展的兩種趨勢

供應商在傳感器市場(chǎng)中朝兩個(gè)方向發(fā)展。一種方向是設計基本傳感器，盡量減少片上邏輯。另一種方向是創(chuàng )建高度集成的“片上相機”解決方案，在方案中集成JPEG圖像處理器、自動(dòng)聚焦控制、閃光門(mén)控及其它圖像與視頻支持功能。這些技術(shù)能夠幫助手機設計工程師更好地匹配其電話(huà)架構與成像子系統。除了提供裸片傳感器外，供應商還能提供組合了傳感器、固定或可變焦距鏡頭及一些控制邏輯的增值模塊。

在300萬(wàn)像素級別，大多數成像芯片都不包含高級處理功能。但它們通?？梢蕴峁┍却笮蛡鞲衅麝嚵懈叩膸俾?。例如美光的MT9T012，它采用與該公司500萬(wàn)像素芯片相同大小的2.2um²像素，在全分辨率時(shí)能達到15幀/秒的速率，在較低分辨率時(shí)速率高達30幀/秒。

MT9T012的目標市場(chǎng)是移動(dòng)應用，它采用1/3.2英寸的光學(xué)格式，具有可編程快照和閃光控制功能。

柯達的KAC-3100也采用與比它略大的同系列產(chǎn)品KAC-5000相同的2.7um像素。其12幀/秒的速率是500萬(wàn)像素傳感器的兩倍。不過(guò)該速率還是達不到美光300萬(wàn)像素芯片的速率。

由Magnachip(前身是IC Media)公司開(kāi)發(fā)的ICM320T圖像傳感器在幀速率上達到一個(gè)新水平。它采用2.57um²的像素和1/2.7英寸光學(xué)格式，全分辨率時(shí)的速率高達16幀/秒，當對陣列進(jìn)行二次采樣時(shí)速率會(huì )更高。這款芯片非常省電，15幀/秒時(shí)的功耗僅為70mW，待機功耗還不到20uW。與美光的傳感器一樣，該傳感器通過(guò)雙線(xiàn)接口控制不同的工作模式(曝光時(shí)間、幀速率、二次采樣窗口大小、模擬和數字增益、水平和垂直圖像反轉及失效像素去除)。

OmniVision的OV3630和PixelPlus的PS1320也可達到15幀/秒的速率，與美光的MT9T012相當。OV3630傳感器采用被OmniVision公司稱(chēng)為Omnipixel12的專(zhuān)有像素結構，可以消除固定模式噪聲，并能顯著(zhù)減少拖尾效應和過(guò)度曝光現象。PS1320則集成了一個(gè)片上圖像信號處理器，能讓用戶(hù)對各種窗口和幀速率進(jìn)行編程、處理視頻預覽模式并執行黑色補償。

東芝公司以一款ET8E99-AS傳感器敲開(kāi)320萬(wàn)像素市場(chǎng)的大門(mén)，該傳感器采用2.7um像素和1/2.6英寸光學(xué)格式。在全分辨率模式時(shí)同樣能夠提供15幀/秒的速率，當像素組合時(shí)(3合1垂直組合)，速率可超過(guò)30幀/秒。片上ADC通過(guò)串行差分接口向主機提供原始的數字化數據(圖3)。ET8E99-AS是東芝現有的200萬(wàn)像素、130萬(wàn)像素以及VGA傳感器與模塊之外的又一補充。

在300萬(wàn)像素以下級別中，設計工程師可以從許多200萬(wàn)和130萬(wàn)像素的獨立傳感器中進(jìn)行選擇。但這些器件需要外部處理器處理圖像數據、發(fā)送JPEG靜止圖像或視頻。為降低系統成本，一些公司正在開(kāi)發(fā)提供更高集成度解決方案的單芯片相機。

這樣的芯片包括美光的200萬(wàn)像素傳感器MT9D111和100萬(wàn)像素傳感器MT9M111，以及Avago的130萬(wàn)像素傳感器ADCC-3960。它們內置了JPEG圖像處理器和其它系統支持邏輯，這些邏輯能夠減輕手機或照相機中主處理器的負荷。因此，在已有的芯片組解決方案中增加照相功能將變得更加簡(jiǎn)單。