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CMOS传感器

2019-11-27来源:时装周网
CMOS传感器

CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor),中文学名为互补金属氧化物半导体,它本是计算机系统内一种重要的芯片,保存了系统引导最基本的资料。CMOS的制造技术和一般计算机芯片没什么差别,主要是利用硅和锗这两种元素所做成的半导体,使其在CMOS上共存着带N(带-电) 和 P(带+电)级的半导体,这两个互补效应所产生的电流即可被处理芯片纪录和解读成影像。后来发现CMOS经过加工也可以作为数码摄影中的图像传感器,CMOS传感器也可细分为被动式像素传感器(Passive Pixel Sensor CMOS)与主动式像素传感器(AcTIve Pixel Sensor CMOS)

CMOS传感器介绍

当今的CMOS图像转换技术不仅服务于“传统的”工业图像处理,而且还凭借其卓越的性能和灵活性而被日益广泛的新颖消费应用所接纳。此外,它还能确保汽车驾驶时的高安全性和舒适性。最初,CMOS图像传感器被应用于工业图像处理;在那些旨在提高生产率、质量和生产工艺经济性的全新自动化解决方案中,它至今仍然是至关重要的一环。

据市场研究公司IMS Research的预测,在未来的几年中,欧洲工业图像处理市场的年成长率将达到6%,其中,在相机中集成了软件功能的智能型解决方案的市场份额将不断扩大。在德国,据其全国工具机供应商协会VDMA提供的数据,2004年的图像处理市场增长率达到了14%。市场调研公司In-Stat/MDR亦指出,单就图像传感器的次级市场而言,其年成长率将高达30%以上,而且这种情况将持续到2008年。最为重要的是:CMOS传感器的成长速度将达到CCD传感器的七倍,照相手机和数码相机的迅速普及是这种需求的主要推动因素。

显然,人们如此看好CMOS图像转换器的成长前景是基于这样一个事实,即:与垄断该领域长达30多年的CCD技术相比,它能够更好地满足用户对各种应用中新型图像传感器不断提升的品质要求,如更加灵活的图像捕获、更高的灵敏度、更宽的动态范围、更高的分辨率、更低的功耗以及更加优良的系统集成等。此外,CMOS图像转换器还造就了一些迄今为止尚不能以经济的方式来实现的新颖应用。另外,还有一些有利于CMOS传感器的“软”标准在起作用,包括:应用支持、抗辐射性、快门类型、开窗口和光谱覆盖率等。不过,这种区别稍带几分任意性,因为这些标准的重要程度将由于应用的不同(消费、工业或汽车)而发生变化。

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细节表现中所面临的难题

就像我们从模拟摄影所获知的那样,拍摄一幅完整场景的照片是一件相当普通的事情,照相手机同样如此。但是,对于工业或汽车应用来说,情况就大不一样了:有些场合并不需要很高的全帧数据速率。比如,在监控摄像机中,只要能够发现一幅场景中出现的变化(因为这种变化可能预示着某种可疑情况),那么分辨率低一点也是完全可以接受的。在此基础之上才需要借助全分辨率来采集更多的细节信息。跟着发生的动作将只在摄像机视场的某一部分当中进行播放,而且,在所捕获的场景中,只有这一部分才是监控人员所关注的。

对于只提供全帧图像的CCD图像传感器而言,只有采用一个分离的评估电路才能够提供两个观测角度,这意味着处理时间和成本的增加。然而,CMOS图像传感器的工作原理则与RAM相似,所有的存储位均可单独读出。CMOS传感器的二次采样虽然提供了较低的分辨率,但是帧速率较高;而开窗口则允许随机选择一块感兴趣的区域。

CMOS传感器优势

最新CMOS传感器获得广泛应用的一个前提是其所拥有的较高灵敏度、较短曝光时间和日渐缩小的像素尺寸。像素灵敏度的一个衡量尺度是填充因子(感光面积与整个像素面积之比)与量子效率(由轰击屏幕的光子所生成的电子的数量)的乘积。CCD传感器因其技术的固有特性而拥有一个很大的填充因子。而在CMOS图像传感器中,为了实现堪与CCD转换器相媲美的噪声指标和灵敏度水平,人们给CMOS图像传感器装配上了有源像素传感器(APS),并且导致填充因子降低,原因是像素表面相当大的一部分面积被放大器晶体管所占用,留给光电二极管的可用空间较小。所以,当今CMOS传感器的一个重要的开发目标就是扩大填充因子。赛普拉斯(FillFactory)通过其获得专利授权的一项技术,可以大幅度地提高填充因子,这种技术可以把一颗标准CMOS硅芯片最大的一部分面积变为一块感光区域。

另外,对于一个典型的工业用图象传感器而言,由于许多场景的拍摄都是在照明条件很差的情况下进行的,因此拥有较大的动态范围将是十分有益的。CMOS图像传感器通过多斜率操作实现了这一目标:转换曲线由倾度不同的直线部分所组成,它们共同形成了一个非线性特征曲线。因此,一幅场景的黑暗部分有可能占据集成模拟-数字转换器转换范围的很大一部分:转换特征曲线在这里最为陡峭,以实现高灵敏度和对比度。特征曲线上半部分的平整化将在图像的明亮部分捕获几个数量级的过度曝光,并以一个更加细致的标度来表现它们。采用多斜率的方式来运作LUPA-4000将使高达90dB的光动态范围与一个10位A/D转换范围相匹配。

具有VGA分辨率的IM-001系列CMOS图像传感器在此基础上更进一步;它们是专为汽车应用而设计的。其像素由光电二极管组成,可提供高达120dB的自适应动态范围。面向汽车应用的ACM 100相机模块就采用了这些传感器,这种相机模块据称是同类产品中率先面市的全集成化相机解决方案:该视觉解决方案被看作是面向驾驶者保护、防撞、夜视支持和轮胎跟踪导向的未来汽车安全系统的关键元件。

此外,对于独立于电网的便携式应用而言,以低功耗特性而著称的CMOS技术还具有一个明显的优势:CMOS图像传感器是针对5V和3.3V电源电压而设计的。而CCD芯片则需要大约12V的电源电压,因此不得不采用一个电压转换器,从而导致功耗增加。在总功耗方面,把控制和系统功能集成到CMOS传感器中将带来另一个好处:它去除了与其他半导体元件的所有外部连接线。其高功耗的驱动器如今已遭弃用,这是因为在芯片内部进行通信所消耗的能量要比通过PCB或衬底的外部实现方式低得多。

扩展光谱灵敏度和提高分辨率是大趋势

在现代CMOS图像传感器中,一个重要的发展趋势是其光谱灵敏度扩展到了近红外区NIR(至约1,100nm的波长)。配备了IM-001 CMOS图像传感器的汽车应用将改善雾穿透力和夜视能力。由于工业图像捕获技术开始运用更多波长位于NIR之中的光源,而且生物技术也在利用该光谱区域中的有趣现象,因此,新开发的IBIS 5-AE-1300传感器具有700~900nm的NIR灵敏度。

在面向消费应用的图像捕获技术中,另一个发展趋势是继续提高分辨率。到2005年年中,70%左右的手机相机已具有VGA格式分辨率(640&TImes;480像素);但随后的2006年,几百万像素的传感器就将占领50%的市场份额,而到2008年,其市场占有率预计将进一步攀升至90%以上。为此,赛普拉斯公司开发了一种用于蜂窝电话的300万像素图像传感器,该产品采用了Autobrite技术,可进行12位模拟/数字转换,并提供了72dB的宽广动态范围,而目前市面上的10位模拟/数字转换器的动态范围仅为60dB。逐行扫描模式中的帧速率高达30帧/秒,因而可录制实况视频节目。

在工业和商业领域中,这种发展趋势也很明显:赛普拉斯已推出一款用于Kodak数码相机的1,300万像素/35mm图像传感器,另外,660万像素的IBIS 4-6600传感器正在一种面向弱视人群的自动阅读辅助装置中证明自己的卓越品质--它可在一幅完整的标准A4页面上提供出色的分辨率。

凭借技术实现系统集成 由于蜂窝电话、数码相机、MP3播放机和PDA等传统分离型功能设备的加速数字融合(即成为一部紧凑的消费型电子产品),导致人们越来越希望至少具有部分自主性的子系统能够在一部设备中提供极为宽泛的功能。这种趋势还将对专业测量技术产生影响:利用包含一个数码相机、PDA用户接口和WLAN联网能力的便携式检验工具,光测试和监视的应用范围将得到有效的拓展。作为一种平台技术,CMOS符合这一发展潮流:CCD图像转换器仍然需要采用外部逻辑电路来实现控制和模拟/数字转换功能,而CMOS标准逻辑器件则能够把传感器、控制器、转换器和评估逻辑电路等全部集成到一块芯片之中。

一个典型的例子如专门针对要求苛刻的消费应用而制作的CYIWCSC1300AA芯片的图像捕获电路。它基于130万像素图像传感器CYIWOSC1300AA 和一个用于提供误差插补、黑电平调整、透镜校正、信号互串校正、彩色马赛克修补、彩色校正、自动曝光、噪声抑制、特效和γ校正等等诸多功能的附加信号处理器。集成更多的系统功能(一直到自主型光电传感器系统)是可行的,这主要取决于诸如市场容量和开发成本等经济目标和限制因素。

IMS Research公司的资深市场分析家John Morse指出:“工业图像处理市场的变化非常快,不光是在技术层面上,而且还涉及近期发生的制造商合并事件。我们认为这种趋势还将继续下去。”果真如此,那么这同样适用于赛普拉斯公司:通过收购MIT(美国麻省理工学院)于1999年成立的SMal Camera Technologies公司,赛普拉斯已将其业务触角延伸到了消费和汽车领域;而兼并FillFactory(这是一家于1999年从总部位于比利时Leuven的著名欧洲微电子和纳米技术研究中心IMEC抽资脱离而成的公司)则使赛普拉斯进一步跻身工业领域。

CMOS图像传感器市场正在蓬勃发展之中,即将成为一个大规模市场。它在很大程度上仍然依赖于客户专用设计来满足规格和系统集成方面的一组定制要求。不过,它将越来越多地提供通用的标准解决方案。分辨率、帧速率和灵敏度的提高以及成本的下降正使其应用领域不断地扩大。要的一环。

像素结构

CMOS传感器按为像素结构分被动式与主动式两种。

被动式像素结构

被动式像素结构(Passive Pixel Sensor.简称PPS),又叫无源式。它由一个反向偏置的光敏二极管和一个开关管构成。光敏二极管本质上是一个由P型半导体和N型半导体组成的PN结,它可等效为一个反向偏置的二极管和一个MOS电容并联。当开关管开启时,光敏二极管与垂直的列线(Column bus)连通。位于列线末端的电荷积分放大器读出电路(Charge integraTIng amplifier)保持列线电压为一常数,当光敏二极管存贮的信号电荷被读出时,其电压被复位到列线电压水平,与此同时,与光信号成正比的电荷由电荷积分放大器转换为电荷输出。

主动式像素结构

主动式像素结构(AcTIve Pixel Sensor.简称APS),又叫有源式,如图2所示。 几乎在CMOS PPS像素结构发明的同时,人们很快认识到在像素内引入缓冲器或放大器可以改善像素的性能,在CMOS APS中每一像素内都有自己的放大器。集成在表面的放大晶体管减少了像素元件的有效表面积,降低了“封装密度”,使40%~50%的入射光被反射。这种传感器的另一个问题是,如何使传感器的多通道放大器之间有较好的匹配,这可以通过降低残余水平的固定图形噪声较好地实现。由于CMOS APS像素内的每个放大器仅在此读出期间被激发,所以CMOS APS的功耗比CCD图像传感器的还小。

填充因数与量子效率

这填充因数(Fill Factor),又叫充满因数,它指像素上的光电二极管相对于像素表面的大小。量子效率(Quantun efficiency)是指一个像素被光子撞击后实际和理论最大值电子数的归一化值。被动式像素结构的电荷填充因数通常可达到70%,因此量子效率高。但光电二极管积累的电荷通常很小,很易受到杂波干扰。再说像素内部又没有信号放大器,只依赖垂直总线终端放大器,因而读出的信号杂波很大,其S/N比低,更因不同位置的像素杂波大小不一样(固定图形噪波FPN)而影响整个图像的质量。而主动性像素结构与被动式相比,它在每个像素处增加了一个放大器,可以将光电二极管积累的电荷转换成电压进行放大,大大提高了S/N比,从而提高了传输过程中抗干扰的能力。但由于放大器占据了过多的像素面积,因而它的填充因数相对较低,一般在25%-35%之间。

CMOS与CCD的区别

CCD与CMOS传感器是被普遍采用的两种图像传感器,两者都是利用感光二极管(photodiode)进行光电转换,将图像转换为数字数据,而其主要差异是数字数据传送的方式不同。

CCD传感器中每一行中每一个象素的电荷数据都会依次传送到下一个象素中,由最底端部分输出,再经由传感器边缘的放大器进行放大输出;而在CMOS传感器中,每个象素都会邻接一个放大器及A/D转换电路,用类似内存电路的方式将数据输出。

造成这种差异的原因在于:CCD的特殊工艺可保证数据在传送时不会失真,因此各个象素的数据可汇聚至边缘再进行放大处理;而CMOS工艺的数据在传送距离较长时会产生噪声,因此,必须先放大,再整合各个象素的数据。

由于数据传送方式不同,因此CCD与CMOS传感器在效能与应用上也有诸多差异,这些差异包括:

1. 灵敏度差异:

由于CMOS传感器的每个象素由四个晶体管与一个感光二极管构成(含放大器与A/D转换电路),使得每个象素的感光区域远小于象素本身的表面积,因此在象素尺寸相同的情况下,CMOS传感器的灵敏度要低于CCD传感器。

2. 成本差异:

由于CMOS传感器采用一般半导体电路最常用的CMOS工艺,可以轻易地将周边电路(如AGC、CDS、Timing generator、或DSP等)集成到传感器芯片中,因此可以节省外围芯片的成本;除此之外,由于CCD采用电荷传递的方式传送数据,只要其中有一个象素不能运行,就会导致一整排的数据不能传送,因此控制CCD传感器的成品率比CMOS传感器困难许多,即使有经验的厂商也很难在产品问世的半年内突破50%的水平,因此,CCD传感器的成本会高于CMOS传感器。

3. 分辨率差异:

CMOS传感器的每个象素都比CCD传感器复杂,其象素尺寸很难达到CCD传感器的水平,因此,当比较相同尺寸的CCD与CMOS传感器时,CCD传感器的分辨率通常会优于CMOS传感器的水平。例如,市面上CMOS传感器最高可达到210万象素的水平(OmniVision的 OV2610,2002年6月推出),其尺寸为1/2英寸,象素尺寸为4.25μm,但Sony在2002年12月推出了ICX452,其尺寸与 OV2610相差不多(1/1.8英寸),但分辨率却能高达513万象素,象素尺寸也只有2.78mm的水平。[1]

 4. 噪声差异:

由于CMOS传感器的每个感光二极管都需搭配一个放大器,而放大器属于模拟电路,很难让每个放大器所得到的结果保持一致,因此与只有一个放大器放在芯片边缘的CCD传感器相比,CMOS传感器的噪声就会增加很多,影响图像品质。[1]

5. 功耗差异:

CMOS传感器的图像采集方式为主动式,感光二极管所产生的电荷会直接由晶体管放大输出,但CCD传感器为被动式采集,需外加电压让每个象素中的电荷移动,而此外加电压通常需要达到12~18V;因此,CCD传感器除了在电源管理电路设计上的难度更高之外(需外加 power IC),高驱动电压更使其功耗远高于CMOS传感器的水平。举例来说,OmniVision推出的OV7640(1/4英寸、VGA),在 30 fps的速度下运行,功耗仅为40mW;而致力于低功耗CCD传感器的Sanyo公司推出的1/7英寸、CIF等级的产品,其功耗却仍保持在90mW 以上。因此CCD发热量比CMOS大,不能长时间在阳光下工作。[1]

综上所述,CCD传感器在灵敏度、分辨率、噪声控制等方面都优于CMOS传感器,而CMOS传感器则具有低成本、低功耗、以及高整合度的特点。不过,随着CCD与CMOS传感器技术的进步,两者的差异有逐渐缩小的态势,例如,CCD传感器一直在功耗上作改进,以应用于移动通信市场(这方面的代表业者为Sanyo);CMOS传感器则在改善分辨率与灵敏度方面的不足,以应用于更高端的图像产品。

主要CMOS厂商

投入CMOS研发、生产的厂商较多,美国有30多家,欧洲7家,日本约8家,韩国1家,台湾有8家。而居全球翘楚地位的厂商是Agilent(HP),其市场占有率51%、ST(VLSI Vision)占16%、Omni Vision占13%、现代占8%、Photobit约占5%,这五家合计市占率达93%。

Sony

Sony是全球CCD传感器第一大厂,也是第一家投入12英寸晶圆、推出600万象素CCD的公司,Sony约有30~40%的CCD传感器供自有品牌产品使用,其它则卖给Canon、Sanyo、Casio、以及台湾的新虹、普利尔、诠讯(与台湾佳能合并)等厂商。

Sony的产品技术蓝图显示,2003年除了800万象素的ICX 456外,并无其它微缩工艺的产品问世。产品尺寸将大致保持现有水平,取而代之的是强化摄影功能与支持progressive scan(连续式扫描),例如500万象素的ICX455/465、330万象素的ICX451/481、以及210万象素的ICX461等,令高端产品也能达到30fps以上的数据传送速率。

高端产品的大部分市场仍被Sony占据,再加上市场仍处于供不应求的局面,公司并未急于做降低成本的动作,不过,一旦Sony最先进的工艺(象素尺寸2.6~2.8mm)达到成熟阶段(成品率超过50%),该公司势必近一步将此工艺应用到其它产品上(目前仍只有1/1.8英寸、 500万象素产品使用此工艺),届时可能会有1/2.7英寸、400万象素产品问世。

OmniVision

OmniVision成立于1995年(以下简称OV),2002年6月领先其它同业率先推出210万象素的OV2610震惊市场,虽然目前采用此传感器量产的产品并不多,但这已说明CMOS传感器可以开始进入原本属于CCD传感器的中高端数码相机市场; OV的数据显示,目前已有天瀚、明、鸿友等台湾商家开始采用该公司的OV2610。展望2003年,OV将在1季度~2季度之间推出330万象素、1/2英寸的产品,采TSMC 0.18mm工艺生产,再次拓展CMOS传感器的应用范围。在移动电话市场上,CMOS模组的摄相模块已经成为移动通讯应用的最大量产品。

在低功耗产品方面,OV也在2002年12峦瞥隽薕V7640,可以在2.5V的环境下运行,为目前VGA产品中功耗最低的芯片。而在2003 年新规划的产品方面,OV计划在下半年推出130万象素、1/4英寸,以及VGA、1/7英寸的产品,希望在CCD厂家推出低功耗的130万素产品之前,先行抢占市场先机。

Agilent

Agilent主要的产品为第二代的CIF(352*288)HDCS-1020和第二代的VGA(640*480)HDCS-2020,主要应用在数码相机 、行动电话、PDA、PC Camera等新兴的资讯家电产品之中,此外Agilent在2000年另一成功策略是和Logitech与Microsoft这两家公司策略联盟,打入了光学鼠标产品领域,但是这是非常低阶的CMOS产品,而且不是为了捕捉影像 ,所以在做影像感测器的全球统计时并未将此数量一并加入,但是此举可看出Agilent以CMOS技术为基础进军光学元件的规划意图。

Photobit

Photobit在2000年获得较大成功。2001年Photobit率先研发出PB-0330产品型号的CMOS图像传感器,此产品特色具备单一晶片逻辑转数位的变频器,它是第二代1/4寸的VGA(640 x 480),同时也推出PB-0111产品型号的CMOS影像感测器,是第二代1/5寸的CIF(352 x 288)。Photobit推出这两种产品主要针对数码相机和PC Camera这些近年来蓬勃发展的数位化产品,和OmniVision CIF(352 x 288)定位在行动电话市场上有所区隔,其推出CIF(352 x 288)和VGA(640 x 480)这两种不同解析程度的影像感测器,行销范围意图含盖低阶和中高阶市场。

其它公司

最具特色的是Sanyo,该公司致力于改善CCD 传感器的功耗,以相机电话为主要应用目标,之前J-Phone率先推出的Sharp J-SHxx系列便是采用Sanyo的CIF级CCD传感器,Sharp、Toshiba等手机厂家也计划在02年4季度~03年1季度之间陆续引入 Sanyo的VGA产品。Matsushita、Sharp的产品规划与Sony相差不多,主要差异在于Matsushita准备推出更小的400万象素 (1/2.7英寸)与130万象素(1/4英寸)产品。

 发展前景

专家们认为,21世纪初全球CMOS图像传感器市场将在PC摄像机、移动通信市场、数码相机、摄像机市场市场等领域获得大幅度增长,在未来的几年时间内,在130 万像素至200万像素之下的产品中,将开始以CMOS传感器为主流。以小型化和低功耗CMOS图像传感器为核心的摄像机正在成为消费类产品的主流,上述领域将为图像传感器市场带来巨大发展[2]。

业界动态

2009年8月28日,索尼秋季数码影像新品发布会在北京隆重举行,索尼宣布在三条产品线推出共十款数码影像新品。其中 DSC-TX1和DSC-WX1首次应用了新型影像传感器Exmor R CMOS影像传感器,它采用先进的背照射技术,其对光线的灵敏度比传统的CMOS影像传感器提高了约2倍,大幅提升了拍摄画质,得到明亮画面的同时更好地降噪,使得在低照度条件下仍然可以获得细节丰富的照片,造就卓越的夜间拍摄性能。该传感器具备1020万有效像素,支持从ISO100~ISO3200的感光度范围,并支持720p的高画质动态影像视频拍摄。性能强大的Exmor R MOS配合BIONZ影像处理器,可以快速准确地处理海量信息,使DSC TX1和WX1具备了手持夜景模式、全景拍摄、动作防抖和每秒最高约10张。

三星电子公司提高CMOS传感器灵敏度的背面照射(BSI:backside illumination)技术达到了实用化水平,2010年将批量生产产品。三家大型CMOS传感器公司均将在2010年开始量产采用背面照射技术的 CMOS传感器(BSI型CMOS传感器)。三星在工艺技术方面将采用适于降低成本的方法。之所以着手从事BSI技术,是因为通过提高灵敏度能够维持相同的灵敏度同时缩小像素间距。据该公司估算,1.4μm间距的BSI型能够获得与基于现有技术的FSI(Front Side Illumination)型1.75μm间距产品相同的画质。同一像素间距,BSI型的灵敏度可以比FIS型高30%。三星为在今后量产1.1μm间距产品等间距更小的元件,将增加BSI型的比例。该公司计划把2010年首批量产的BSI型CMOS传感器做成支持1460万像素和30帧/秒的元件。预计将配备于数码相机、数码摄像机及高端手机等设备上[3]。

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