圖像傳感器的最新技術(shù)和發(fā)展趨勢(shì)

不管是最新的手機(jī)還是大型天文望遠(yuǎn)鏡，固態(tài)成像器件幾乎能滿足目前所有圖像捕獲的需求。像素變小能使現(xiàn)有的VGA和數(shù)百萬像素傳感器尺寸減小，但是具有數(shù)千萬像素的大型靜態(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(fèi)類產(chǎn)品的選用技術(shù)。在分辨率為VGA到800萬像素的成像器件中，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(shì)。不過，在800萬像素以上的市場(chǎng)中，CCD仍占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，因?yàn)镃CD的噪聲更低，靈敏度更高(圖1)。

CCD傳感器在工業(yè)和醫(yī)療應(yīng)用中也占據(jù)著統(tǒng)治地位，因?yàn)檫@些領(lǐng)域追求的是高幀速率，而不是高分辨率。芯片架構(gòu)范圍從數(shù)千像素的簡(jiǎn)單線性陣列到數(shù)百萬像素陣列。Fairchild Imaging、Fraunhofer-IMS、Hamamatsu、柯達(dá)和Saroff Labs都能提供滿足這一市場(chǎng)需求的解決方案。

CMOS傳感器利用CMOS技術(shù)的工藝擴(kuò)展性能，以及圖像處理器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)等更強(qiáng)的集成邏輯功能，來實(shí)現(xiàn)一套完整的“片上相機(jī)”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(shè)計(jì)工程師可以在與上一代VGA傳感器相同的芯片面積上，設(shè)計(jì)出更小的VGA分辨率傳感器或具有數(shù)百萬像素的傳感器。

圖1：在800萬像素以上的市場(chǎng)中，CCD仍占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，因?yàn)镃CD的噪聲更低，靈敏度更高。

另外，在未來幾年中，汽車安全應(yīng)用將開始消費(fèi)數(shù)量巨大的低成本成像器件。輔助照相機(jī)、駕駛員打瞌睡警報(bào)、安全氣囊及其它應(yīng)用都將利用圖像數(shù)據(jù)，來更好地保護(hù)駕駛員。

光刻和像素設(shè)計(jì)的進(jìn)一步發(fā)展將提供更好的可擴(kuò)展性，使設(shè)計(jì)工程師能設(shè)計(jì)出具有更高分辨率的器件。關(guān)鍵挑戰(zhàn)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，工藝開發(fā)人員必須重點(diǎn)減少半導(dǎo)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(zhuǎn)換過程。傳感器通常包含放大器、噪聲校正和數(shù)字化電路，這樣芯片輸出的就是數(shù)字比特。這些額外的功能將增加設(shè)計(jì)的復(fù)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(zhuǎn)換，所以像素與像素之間的一致性比較差。但通過利用片上邏輯，可以構(gòu)建一個(gè)僅需少量外圍電路就能實(shí)現(xiàn)基本操作的芯片，。

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

使用CMOS和CCD傳感器的應(yīng)用類型沒有明顯的分界線。當(dāng)CMOS設(shè)計(jì)工程師花大力氣提高圖像質(zhì)量時(shí)，CCD設(shè)計(jì)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(shì)是成本低，因?yàn)樗梢圆捎弥髁鞯腃MOS制造工藝。

高端成像應(yīng)用領(lǐng)域主要采用1,400至8,100萬以上像素的CCD成像器件。在500萬到1,400萬像素的應(yīng)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500萬像素的CCD成像器仍有一些，但隨著CMOS成像器完全占領(lǐng)這部分市場(chǎng)，這種CCD成像器將變得越來越少。

圖2：這種由Foveon公司開發(fā)的直接圖像傳感器技術(shù)類似于彩色底片。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(tǒng)的X-Y柵格上分布像素，它不再需要顏色過濾層來分離顏色。

CMOS傳感器的最新技術(shù)

Foveon公司采用了一種很獨(dú)特的CMOS成像器設(shè)計(jì)方法。它并不采用覆蓋了顏色過濾層的單層像素，而是采用硅片中共有三層像素的X3架構(gòu)(圖2)。這種直接圖像傳感技術(shù)可以在單次曝光過程中直接捕獲圖像中每個(gè)點(diǎn)的紅光、綠光和藍(lán)光，因此單個(gè)像素區(qū)域就能捕獲全部三原色。相反，大多數(shù)CMOS和CCD傳感器在像素頂部使用顏色過濾層，這些顏色過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(zhǎng)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(lán)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1,000萬個(gè)像素。其垂直堆疊的像素要比采用顏色過濾層的傳統(tǒng)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(shù)字靜止照相機(jī)(DSC)。它采用2.5V供電，讀數(shù)據(jù)時(shí)的功耗為50mW，待機(jī)和斷電時(shí)的功耗分別為10mW和0.1mW。

一個(gè)像素區(qū)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(shù)字視頻。這種模式切換是通過控制信號(hào)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(xiàn)的。

像素簇越大，靈敏度就越高，這是因?yàn)橛懈嗟南袼厥占瘉碜詧D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(dá)25幀/秒。

成像芯片上的附加電路為系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師提供了高度靈活的片上讀出系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以簡(jiǎn)化數(shù)字縮放、場(chǎng)景測(cè)光等功能的實(shí)現(xiàn)。該芯片還可以通過軟件實(shí)現(xiàn)被Foveon稱為填光(Fill Light)的功能，從而大大提高受復(fù)雜光線條件影響的圖像質(zhì)量。在該方案中，軟件可以模擬在陰影區(qū)域增加額外光照的同時(shí)保留高亮區(qū)域細(xì)節(jié)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(jī)、網(wǎng)絡(luò)相機(jī)和消費(fèi)級(jí)靜止圖像照相機(jī)(一般在600萬像素以下)等大眾市場(chǎng)產(chǎn)品拒之門外。但隨著傳統(tǒng)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(fèi)類DSC的900萬像素彩色傳感器，它采用130nm設(shè)計(jì)工藝標(biāo)準(zhǔn)，可以提供6.4um的像素間距。該傳感器能夠滿足高級(jí)攝影標(biāo)準(zhǔn)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(jī)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(guó)際固態(tài)電路會(huì)議(ISSCC)上，索尼發(fā)布的一款640萬像素圖像傳感器據(jù)稱能支持60幀/秒的最高幀速率。該芯片的Z字型4像素共享機(jī)制提供了高效的1.75晶體管/像素架構(gòu)。片上10位計(jì)數(shù)器類型列并行ADC提供數(shù)字化的像素?cái)?shù)據(jù)。由于采用180nm設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)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，無需插入額外的無效幀，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720萬像素傳感器。該傳感器也使用4像素共享結(jié)構(gòu)，但它采用了130nm設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)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320萬像素，集成了自動(dòng)瑕疵校正和檢測(cè)、增益控制、鏡頭陰影校正功能，可簡(jiǎn)化照相子系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

500萬像素成主流

對(duì)主流DSC應(yīng)用來說，500萬像素分辨率的傳感器將在消費(fèi)類大眾市場(chǎng)中占據(jù)主要份額。同時(shí)，照相手機(jī)也將采用CMOS傳感器，這意味著2006年的高端手機(jī)將集成500萬像素的成像器。

柯達(dá)、美光和OmniVision Technology公司是500萬像素傳感器的主要提供商。最近在拉斯維加斯舉辦的消費(fèi)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500萬像素傳感器，該傳感器能夠在極低的光強(qiáng)環(huán)境下工作。

去年底柯達(dá)推出了KAC-5000。這款500萬像素的傳感器采用1/1.8英寸的光學(xué)格式，目標(biāo)市場(chǎng)是主流DSC。它采用2.7um²的像素和柯達(dá)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(gòu)結(jié)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30幀/秒。

使小型光電二極管以地為基準(zhǔn)可以降低暗電流。為改善頻譜響應(yīng)性能，傳感器通過真正的相關(guān)雙倍采樣機(jī)制消除熱源噪聲。因?yàn)楣蚕硐袼丶軜?gòu)允許進(jìn)行組合，所以4個(gè)相鄰像素可以組合起來形成較大的像素，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(jī)功耗卻為美光和OmniVision器件的10倍左右。

美光的 500萬像素傳感器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260mW，非常適合DSC和手機(jī)應(yīng)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(zhuǎn)換成只有5.7×4.28mm²大小的小塊成像區(qū)域，而且60dB的動(dòng)態(tài)范圍比柯達(dá)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(jī)系統(tǒng)提供數(shù)字化數(shù)據(jù)。電子旋轉(zhuǎn)快門能使芯片能夠快拍或捕獲連續(xù)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(jí)照相功能。

OmniVision OV5610 517萬像素照相芯片則配置了類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(dá)芯片一樣，它采用1/1.8英寸的光學(xué)格式和類似大小的像素。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(dá)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(yīng)，并且極大減少了過度曝光(blooming)和暗電流現(xiàn)象。另外，它具有光學(xué)黑色校準(zhǔn)功能，能達(dá)到與美光傳感器相當(dāng)?shù)?0dB動(dòng)態(tài)范圍。

OV5610的工作功耗約140mW，待機(jī)功耗在35uW以下，因此非常適合單獨(dú)的照相機(jī)和拍照手機(jī)使用?？刂萍拇嫫髂軌蜃屧O(shè)計(jì)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為單載波調(diào)制光電檢測(cè)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(jié)構(gòu)，而不是PN結(jié)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(shù)量級(jí)。

該傳感器在光強(qiáng)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(qiáng)。這種技術(shù)還能最小化像素區(qū)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(shè)計(jì)工藝的CMOS傳感器更小，功耗也更低，500萬像素傳感器的典型功耗約82mW。Planet82公司有望在2006年中期開始提供樣品。

在分辨率為300萬和低于300萬像素的傳感器市場(chǎng)中，目前已有越來越多的供應(yīng)商在競(jìng)爭(zhēng)300萬和100萬像素傳感器這個(gè)“香餑餑”。賽普拉斯、柯達(dá)、Magnachip、美光、OmniVision和東芝公司正在300像素傳感器上展開激烈競(jìng)爭(zhēng)。Avago Technologies(以前是安捷倫的一部分)、夏普和意法半導(dǎo)體公司也現(xiàn)身在200萬和低于200萬像素的傳感器市場(chǎng)中。

傳感器發(fā)展的兩種趨勢(shì)

供應(yīng)商在傳感器市場(chǎng)中朝兩個(gè)方向發(fā)展。一種方向是設(shè)計(jì)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(jī)”解決方案，在方案中集成JPEG圖像處理器、自動(dòng)聚焦控制、閃光門控及其它圖像與視頻支持功能。這些技術(shù)能夠幫助手機(jī)設(shè)計(jì)工程師更好地匹配其電話架構(gòu)與成像子系統(tǒng)。除了提供裸片傳感器外，供應(yīng)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300萬像素級(jí)別，大多數(shù)成像芯片都不包含高級(jí)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500萬像素芯片相同大小的2.2um²像素，在全分辨率時(shí)能達(dá)到15幀/秒的速率，在較低分辨率時(shí)速率高達(dá)30幀/秒。

MT9T012的目標(biāo)市場(chǎng)是移動(dòng)應(yīng)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(dá)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500萬像素傳感器的兩倍。不過該速率還是達(dá)不到美光300萬像素芯片的速率。

由Magnachip(前身是IC Media)公司開發(fā)的ICM320T圖像傳感器在幀速率上達(dá)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(dá)16幀/秒，當(dāng)對(duì)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(jī)功耗還不到20uW。與美光的傳感器一樣，該傳感器通過雙線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(shù)字增益、水平和垂直圖像反轉(zhuǎn)及失效像素去除)。

OmniVision的OV3630和PixelPlus的PS1320也可達(dá)到15幀/秒的速率，與美光的MT9T012相當(dāng)。OV3630傳感器采用被OmniVision公司稱為Omnipixel12的專有像素結(jié)構(gòu)，可以消除固定模式噪聲，并能顯著減少拖尾效應(yīng)和過度曝光現(xiàn)象。PS1320則集成了一個(gè)片上圖像信號(hào)處理器，能讓用戶對(duì)各種窗口和幀速率進(jìn)行編程、處理視頻預(yù)覽模式并執(zhí)行黑色補(bǔ)償。

東芝公司以一款ET8E99-AS傳感器敲開320萬像素市場(chǎng)的大門，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(dāng)像素組合時(shí)(3合1垂直組合)，速率可超過30幀/秒。片上ADC通過串行差分接口向主機(jī)提供原始的數(shù)字化數(shù)據(jù)(圖3)。ET8E99-AS是東芝現(xiàn)有的200萬像素、130萬像素以及VGA傳感器與模塊之外的又一補(bǔ)充。

在300萬像素以下級(jí)別中，設(shè)計(jì)工程師可以從許多200萬和130萬像素的獨(dú)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(shù)據(jù)、發(fā)送JPEG靜止圖像或視頻。為降低系統(tǒng)成本，一些公司正在開發(fā)提供更高集成度解決方案的單芯片相機(jī)。

這樣的芯片包括美光的200萬像素傳感器MT9D111和100萬像素傳感器MT9M111，以及Avago的130萬像素傳感器ADCC-3960。它們內(nèi)置了JPEG圖像處理器和其它系統(tǒng)支持邏輯，這些邏輯能夠減輕手機(jī)或照相機(jī)中主處理器的負(fù)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。