图像传感器的最新技术和发展趋势

本文对COMS和CCD传感器做了简单的比较，介绍了CMOS传感器的最新技术，作者认为，供应商在传感器市场中朝两个方向在发展。
不管是最新的手机还是大型天文望远镜，固态成像器件几乎能满足目前所有图像捕获的需求。像素变小能使现有的VGA和数百万像素传感器尺寸减小，但是具有数千万像素的大型静态传感器更容易制造。在最近几年中，基于CMOS技术的图像传感器已成为消费类产品的选用技术。在分辨率为VGA到800万像素的成像器件中，它们比电荷耦合器件(CCD)传感器具有更高的成本和性能优势。不过，在800万像素以上的市场中，CCD仍占绝对优势，因为CCD的噪声更低，灵敏度更高(图1)。

图1：在800万像素以上的市场中，CCD仍占绝对优势，因为CCD的噪声更低，灵敏度更高。
CCD传感器在工业和医疗应用中也占据着统治地位，因为这些领域追求的是高帧速率，而不是高分辨率。芯片架构范围从数千像素的简单线性阵列到数百万像素阵列。Fairchild Imaging、Fraunhofer-IMS、Hamamatsu、柯达和Saroff Labs都能提供满足这一市场需求的解决方案。
CMOS传感器利用CMOS技术的工艺扩展性能，以及图像处理器和模数转换器(ADC)等更强的集成逻辑功能，来实现一套完整的“片上相机”解决方案。由于CMOS传感器的像素尺寸已经减小到每边小于3μm，因此设计工程师可以在与上一代VGA传感器相同的芯片面积上，设计出更小的VGA分辨率传感器或具有数百万像素的传感器。
另外，在未来几年中，汽车安全应用将开始消费数量巨大的低成本成像器件。辅助照相机、驾驶员打瞌睡警报、安全气囊及其它应用都将利用图像数据，来更好地保护驾驶员。
光刻和像素设计的进一步发展将提供更好的可扩展性，使设计工程师能设计出具有更高分辨率的器件。关键挑战在于在光源捕获面积缩小的同时保持像素单元的灵敏度。此外，如果捕获到的光能量较低，则必须降低背景噪声，以有效保持足够的信噪比。因此，工艺开发人员必须重点减少半导体材料中固有的热噪声和其它噪声源，以有效提高信噪比。
CMOS传感器中的每个像素都有各自的电荷到电压转换过程。传感器通常包含放大器、噪声校正和数字化电路，这样芯片输出的就是数字比特。这些额外的功能将增加设计的复杂性，并可能减少可用于光捕获的面积。由于每个像素都进行各自的转换，所以像素与像素之间的一致性比较差。但通过利用片上逻辑，可以构建一个仅需少量外围电路就能实现基本操作的芯片。
CCD传感器的工艺不像CMOS那样灵活，大多数CCD传感器需要数量可观的外部支持电路。在不惜牺牲系统尺寸而追求图像质量(用量子效率和噪声来衡量)的照相、科学以及工业应用中，传统上由CCD传感器提供性能基准。
使用CMOS和CCD传感器的应用类型没有明显的分界线。当CMOS设计工程师花大力气提高图像质量时，CCD设计工程师则将重点放在减少功耗和像素尺寸上，以便在低端产品市场中与CMOS器件一决高低。CMOS传感器的主要优势是成本低，因为它可以采用主流的CMOS制造工艺。
高端成像应用领域主要采用1,400至8,100万以上像素的CCD成像器件。在500万到1,400万像素的应用中，CMOS和CCD成像器都可以选用，但更多的还是CMOS解决方案。低于500万像素的CCD成像器仍有一些，但随着CMOS成像器完全占领这部分市场，这种CCD成像器将变得越来越少。
CMOS传感器的最新技术
Foveon公司采用了一种很独特的CMOS成像器设计方法。它并不采用覆盖了颜色过滤层的单层像素，而是采用硅片中共有三层像素的X3架构(图2)。这种直接图像传感技术可以在单次曝光过程中直接捕获图像中每个点的红光、绿光和蓝光，因此单个像素区域就能捕获全部三原色。相反，大多数CMOS和CCD传感器在像素顶部使用颜色过滤层，这些颜色过滤层形成马赛克形状的三像素簇，以捕获三原色。Foveon公司的方案基于不同波长的光在硅片中不同深度处被吸收这一原理，因此每个垂直堆叠的红、绿和蓝像素可以直接捕获图像中每个点的所有光。

图2：这种由Foveon公司开发的直接图像传感器技术类似于彩色底片。它在硅片
上堆叠三个特定于颜色的像素层，而不是在传统的X-Y栅格上分布像素，它不再需要颜色过滤层来分离颜色。
最大的X3传感器有1,000万个像素。其垂直堆叠的像素要比采用颜色过滤层的传统X-Y阵列小很多。这种传感器消耗的功率也很少，非常适合许多数字静止照相机(DSC)。它采用2.5V供电，读数据时的功耗为50mW，待机和断电时的功耗分别为10mW和0.1mW
一个像素区域能够处理三个像素层的工作。由于像素尺寸可以改变，所以这种传感器能够在两种模式之间无缝切换，一种模式是以最大分辨率捕获静止图像，一种模式是以较低分辨率捕获数字视频。这种模式切换是通过控制信号将相邻像素组成1×2、2×2或4×4等这样的像素簇而实现的。
像素簇越大，灵敏度就越高，这是因为有更多的像素收集来自图像中同一个点的光。在全分辨率模式下，传感器的捕捉速率为4.4帧/秒，而在576×384像素分辨率模式中，捕捉速率高达25帧/秒。 成像芯片上的附加电路为系统设计工程师提供了高度灵活的片上读出系统，该系统可以简化数字缩放、场景测光等功能的实现。该芯片还可以通过软件实现被Foveon称为填光(Fill Light)的功能，从而大大提高受复杂光线条件影响的图像质量。在该方案中，软件可以模拟在阴影区域增加额外光照的同时保留高亮区域细节的摄影技术。
虽然这些高分辨率传感器代表了业界目前最高水平，但高昂的价格使它们被手机、网络相机和消费级静止图像照相机(一般在600万像素以下)等大众市场产品拒之门外。但随着传统CMOS传感技术的发展，CMOS传感器的分辨率和灵敏度在不断提高，与此同时芯片尺寸也在进一步缩小以降低芯片成本。
赛普拉斯公司的CYIHDSC9000AA是一款用于高端消费类DSC的900万像素彩色传感器，它采用130nm设计工艺标准，可以提供6.4μm的像素间距。该传感器能够满足高级摄影标准要求，成像阵列由3710×2434像素组成，占用面积为23.3×15.5mm2。这种产品能够支持的有效焦距是全帧35mm照相机的1.5倍。赛普拉斯公司还提供单色版的传感器。彩色传感器在全分辨率下可以支持5帧/秒的速率，在VGA分辨率下可支持20帧/秒的速率。
在最近举行的IEEE国际固态电路会议(ISSCC)上，索尼发布的一款640万像素图像传感器据称能支持60帧/秒的最高帧速率。该芯片的Z字型4像素共享机制提供了高效的1.75晶体管/像素架构。片上10位计数器类型列并行ADC提供数字化的像素数据。由于采用180nm设计标准制造，像素只有2.5μm2。此外，成像阵列可以在全帧和2×2组合模式之间切换，无需插入额外的无效帧，从而可避免集成时间不一致。
三星也在ISSCC上展示了略大一些的720万像素传感器。该传感器也使用4像素共享结构，但它采用了130nm设计标准和镶铜工艺，能有效降低像素高度，并提高光学效率。

500万像素成主流
对主流DSC应用来说，500万像素分辨率的传感器将在消费类大众市场中占据主要份额。同时，照相手机也将采用CMOS传感器，这意味着2006年的高端手机将集成500万像素的成像器。
柯达、美光和OmniVision Technology公司是500万像素传感器的主要提供商。最近在拉斯维加斯举办的消费电子展中，新创的Planet82公司展示了一种基于纳米技术的新型500万像素传感器，该传感器能够在极低的光强环境下工作。
去年底柯达推出了KAC-5000。这款500万像素的传感器采用1/1.8英寸的光学格式，目标市场是主流DSC。它采用2.7μm2的像素和柯达创新的Pixelux技术，该技术将小型光电二极管、四晶体管像素和共享像素架构结合在一起，以便在低光照条件下提供很高灵敏度。该传感器在全分辨率模式下的捕获速率为6帧/秒，在VGA分辨率下的速率超过30帧/秒。
使小型光电二极管以地为基准可以降低暗电流。为改善频谱响应性能，传感器通过真正的相关双倍采样机制消除热源噪声。因为共享像素架构允许进行组合，所以4个相邻像素可以组合起来形成较大的像素，以在低光照条件下更好地捕获图像。动态功耗比较适中，约150mW。但0.5mW的待机功耗却为美光和OmniVision器件的10倍左右。
美光的 500万像素传感器MT9P001，采用更大的1/2.5英寸光学格式，能够以12帧/秒的速率捕捉全分辨率图像，或者以30帧/秒的速率捕捉VGA分辨率的视频。MT9P001基于该公司的Digital-Clarity技术，其功耗不超过260mW，非常适合DSC和手机应用。
被配置成2592×1944单元的2.2μm2的小像素，能使芯片的暗电流保持在每秒仅20个电子，从而使背景噪声降至最低。小尺寸像素还可以转换成只有5.7×4.28mm2大小的小块成像区域，而且60dB的动态范围比柯达器件的52dB高出许多。
MT9P001还配置有片上12位ADC，因此可以直接向主机系统提供数字化数据。电子旋转快门能使芯片能够快拍或捕获连续视频。另外，这款成像芯片还直接集成可编程增益、帧速率、曝光时间、图像镜像、取景器和快照模式等许多高级照相功能。
OmniVision OV5610 517万像素照相芯片则配置了类似大小的像素阵列和片上ADC(10位，美光的器件是12位)。但与柯达芯片一样，它采用1/1.8英寸的光学格式和类似大小的像素。虽然这款芯片是三者中速度最慢的，但在全分辨率下也能达到4帧/秒的速率。片上电路和算法消除了固定模式噪声和拖尾效应，并且极大减少了过度曝光(blooming)和暗电流现象。另外，它具有光学黑色校准功能，能达到与美光传感器相当的60dB动态范围。
OV5610的工作功耗约140mW，待机功耗在35uW以下，因此非常适合单独的照相机和拍照手机使用。控制寄存器能够让设计工程师更加灵活地使用定时、极性以及可编程自动曝光、增益控制和自动白平衡等芯片功能。
Planet82公司的方案采用了一种被该公司称为单载波调制光电检测器(SMPD)的技术。采用这种技术的图像传感器就像人造眼一样，可以在几乎全黑的环境中不用闪光灯就能捕获图像。像素单元基于量子晶体管结构，而不是PN结二极管，因此与CMOS或CCD传感器相比，它的灵敏度要高出三个数量级。
该传感器在光强度小于1lux(勒克斯)的环境下不用闪光就能捕捉到图像，比人眼的分辨力还强。这种技术还能最小化像素区域的孔径比，从而使片上单位面积的像素更多。这种技术使芯片的尺寸比采用相同设计工艺的CMOS传感器更小，功耗也更低，500万像素传感器的典型功耗约82mW。Planet82公司有望在2006年中期开始提供样品。在分辨率为300万和低于300万像素的传感器市场中，目前已有越来越多的供应商在竞争300万和100万像素传感器这个“香饽饽”。赛普拉斯、柯达、Magnachip、美光、OmniVision和东芝公司正在300像素传感器上展开激烈竞争。Avago Technologies(以前是安捷伦的一部分)、夏普和意法半导体公司也现身在200万和低于200万像素的传感器市场中。
传感器发展的两种趋势
供应商在传感器市场中朝两个方向发展。一种方向是设计基本传感器，尽量减少片上逻辑。另一种方向是创建高度集成的“片上相机”解决方案，在方案中集成JPEG图像处理器、自动聚焦控制、闪光门控及其它图像与视频支持功能。这些技术能够帮助手机设计工程师更好地匹配其电话架构与成像子系统。除了提供裸片传感器外，供应商还能提供组合了传感器、固定或可变焦距镜头及一些控制逻辑的增值模块。
在300万像素级别，大多数成像芯片都不包含高级处理功能。但它们通常可以提供比大型传感器阵列更高的帧速率。例如美光的MT9T012，它采用与该公司500万像素芯片相同大小的2.2μm2像素，在全分辨率时能达到15帧/秒的速率，在较低分辨率时速率高达30帧/秒。
MT9T012的目标市场是移动应用，它采用1/3.2英寸的光学格式，具有可编程快照和闪光控制功能。
柯达的KAC-3100也采用与比它略大的同系列产品KAC-5000相同的2.7μm像素。其12帧/秒的速率是500万像素传感器的两倍。不过该速率还是达不到美光300万像素芯片的速率。
由Magnachip(前身是IC Media)公司开发的ICM320T图像传感器在帧速率上达到一个新水平。它采用2.57μm2的像素和1/2.7英寸光学格式，全分辨率时的速率高达16帧/秒，当对阵列进行二次采样时速率会更高。这款芯片非常省电，15帧/秒时的功耗仅为70mW，待机功耗还不到20uW。与美光的传感器一样，该传感器通过双线接口控制不同的工作模式(曝光时间、帧速率、二次采样窗口大小、模拟和数字增益、水平和垂直图像反转及失效像素去除)。
OmniVision的OV3630和PixelPlus的PS1320也可达到15帧/秒的速率，与美光的MT9T012相当。OV3630传感器采用被OmniVision公司称为Omnipixel12的专有像素结构，可以消除固定模式噪声，并能显著减少拖尾效应和过度曝光现象。PS1320则集成了一个片上图像信号处理器，能让用户对各种窗口和帧速率进行编程、处理视频预览模式并执行黑色补偿。
东芝公司以一款ET8E99-AS传感器敲开320万像素市场的大门，该传感器采用2.7μm像素和1/2.6英寸光学格式。在全分辨率模式时同样能够提供15帧/秒的速率，当像素组合时(3合1垂直组合)，速率可超过30帧/秒。片上ADC通过串行差分接口向主机提供原始的数字化数据(图3)。ET8E99-AS是东芝现有的200万像素、130万像素以及VGA传感器与模块之外的又一补充。

图3：东芝的ED8E99-AS图像传感器具有320万像素，集成了自动瑕疵校正和检测、增益控制、镜头阴影校正功能，可简化照相子系统设计。
在300万像素以下级别中，设计工程师可以从许多200万和130万像素的独立传感器中进行选择。但这些器件需要外部处理器处理图像数据、发送JPEG静止图像或视频。为降低系统成本，一些公司正在开发提供更高集成度解决方案的单芯片相机。

这样的芯片包括美光的200万像素传感器MT9D111和100万像素传感器MT9M111，以及Avago的130万像素传感器ADCC-3960。它们内置了JPEG图像处理器和其它系统支持逻辑，这些逻辑能够减轻手机或照相机中主处理器的负荷。因此，在已有的芯片组解决方案中增加照相功能将变得更加简单。