CMOS圖像傳感器商業化發展

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王 高 周漢昌

摘 要：隨著超大規模集成技術的發展，CMOS圖像傳感器顯示出強勁的發展趨勢。CMOS 圖像傳感器可在單芯片內集成時序和控制電路、A/D轉換、信號處理等功能。本文簡單介紹了CMOS圖像傳感器的背景，分析了CMOS 圖像傳感器和 CCD 圖像傳感器的優缺點，綜述了目前CMOS圖像傳感器的研究進展。
關鍵詞：CMOS圖像傳感器； 動態范圍； 靈敏度
中圖分類號：TP212.14    文獻標識碼：A 

一、前言
    自 60 年代末期美國貝爾實驗室開發出固態成像器件和一維CCD 模型器件以來，CCD 在圖像傳感、信號處理、數字存儲等方面發展迅速。隨著CCD器件的廣泛應用，其缺點逐漸顯露出來。為此，人們又開發了另外幾種固態圖像傳感器，其中最有發展潛力的是采用標准CMOS制造工藝制造的CMOS圖像傳感器。
    實際上早在70 年代初，國外就已經開發出CMOS 圖像傳感器，但成像質量不如CCD，因而一直無法與之相抗衡。90 年代初期，隨著超大規模集成技術的飛速發展，CMOS 圖像傳感器可在單芯片內集成A/D轉換、信號處理、自動增益控制、精密放大和存儲等功能，大大減小了系統復雜性，降低了成本，因而顯示出強勁的發展勢頭。此外， 它還具有低功耗、 單電源、低工作電壓(3V～5 V)、成品率高，可對局部像元隨機訪問等突出優點。因此，CMOS圖像傳感器重新成為研究、開發的熱點，發展極其迅猛，目前已佔據低、中分辨領域。現在，CMOS圖像傳感器的一些參數性能指標已達到或超過 CCD 。

二、CCD 與 CMOS 的比較
        1、成像過程
       CCD 和 CMOS 使用相同的光敏材料，因而受光後產生電子的基本原理相同，但是讀取過程不同：CCD 是在同步信號和時鐘信號的配合下以幀或行的方式轉移，整個電路非常復雜，讀出速率慢；CMOS 則以類似 DRAM 的方式讀出信號，電路簡單，讀出速率高。

2、集成度
    采用特殊技術的CCD讀出電路比較復雜，很難將A/D轉換、信號處理、自動增益控制、精密放大和存儲功能集成到一塊芯片上，一般需要 3～8 個芯片組合實現，同時還需要一個多通道非標准供電電壓。借助於大規模集成制造工藝，CMOS 圖像傳感器能非常容易地把上述功能集成到單一芯片上，多數CMOS圖像傳感器同時具有模擬和數字輸出信號。

3、電源、功耗和體積
       CCD 需多種電源供電，功耗較大，體積也比較大。CMOS 只需一個單電源(3V~5 V)供電，其功耗相當於 CCD的 1/10，高度集成CMOS 芯片可以做的相當小。

4、性能指標
    CCD 技術已經相當成熟，而 CMOS 正處於蓬勃發展時期，雖然目前高端 CMOS圖像質量暫時不如CCD，但有些指標（如傳輸速率等方面）已超過CCD。由於CMOS具有諸多優點，國內外許多機構已經應用CMOS圖像傳感器開發出眾多產品。 本文主要介紹已商品化的 CMOS  圖像傳感器的發展現狀以 及最新發展動態，希望對下游產品的開發有所幫助。

 

三、CMOS的商業化產品
    CMOS圖像傳感器的迅速發展並商業化得益於成熟的CMOS工藝，目前國外諸多公司和科研機構已經開發出不同光學格式、多種類型的CMOS圖像傳感器，並將其應用於光譜學、X射線檢測、天文學（觀測研究）、空間探測、國防、醫學、工業等不同的領域。
    1997年成立的美國Foveon公司於2003年推出了產品代號分別為F7X3-C9110、 F19X3-A50的全色CMOS圖像傳感器。F7X3-C9110的有效像素為2268 × 1512，具有像素可變、超低功耗（50 mW）、低噪聲、抗模糊等特點。該傳感器已被用在日本Sigma SD10單反數碼相機上，該相機在低照度條件下積分時間可達30s。F19X3-A50除具有上述特點外，片上還具有高達40MHz的12位A/D轉換器和集成數字處理器。由於采用獨特的X3技術，該CMOS圖像傳感器感光陣列可在一個像元位置同時獲得紅、綠、藍三種顏色信號。配置了這款圖像傳感器的數碼產品主要面向專業攝影師、業余攝影愛好者等消費群體。據報道，美國Foveon和國家半導體公司合作，采用0.18μm CMOS工藝首次開發成功了1600萬像素（4096×4096）CMOS圖像傳感器，這是迄今為止全球集成度最高的CMOS圖像傳感器，像元尺寸為5mm×5mm，芯片尺寸為22mm×22mm。
    美國Silicon Video（SVI）公司主要面向高清晰度數字電視、高清晰度數字電影及廣播等領域，該公司於2003年6月收購Photon Vision Systems (PVS) 公司後，使用PVS獨特的有源列傳感專利技術（ACS）已制造出LIS-1024、ELIS-1024及SLIS-2048線陣CMOS圖像傳感器和具有低暗電流、高靈敏度和掃描速度的3840× 2192像素面陣單片CMOS成像系統。有源列傳感專利技術（ACS）可降低放大器固定圖案噪聲，增加填充系數，提高靈敏度和動態范圍及提高掃描速度。SLIS-2048線陣CMOS圖像傳感器靈敏度為5μV/e，掃描頻率為60MHz， 填充系數>99%，動態范圍為63 dB。目前該公司正在開發用於便攜設備的超低功耗RPLIS-2048線陣CMOS圖像傳感器。
    美國Micro公司推出像素分別為252×288、640×480、382×288和1280×1024的面陣光敏二極管圖像傳感器，其中像素為1280×1024的MT9M413的讀出速率達660MB/s，可用於高級機器視覺系統及高速成像系統。如果以1280×128面陣的形式傳輸數據，則最高讀出速率可達4,000 fps。
    瑞士 STMicroelectronics （ ST ）能提供352×288的VV5411/VV6411和640×480的彩色VV6501、VV6502、VS6552光敏二極管CMOS圖像傳感器，其圖像質量、噪聲和靈敏度接近或超過相應 像素的 CCD ，  在反光暈、體積、功耗方面優於 CCD 。傳感器采用I ²C 總線並具有集成透鏡、 10 位 A/D 轉換器，還可外觸發。該公司還提供相應的開發板及處理器，其低端產品面向玩具市場和安全監測，高端產品可用於數碼相機、移動通信、機器視覺及生物醫學等領域。
    美國Biomorphic VLSI報道了該公司生產的640×480 像素Bi8603和Bi8631、1280×1024 像素Bi8831、1600 ×1400 像素Bi8891彩色面陣CMOS圖像傳感器。由於擁有了高性能模擬混合信號處理技術、先進的數字信號處理結構、領先的邊沿圖像處理技術以及基於生物機體的信息處理結構等技術，由該公司傳感器構成的成像系統在交通監測、航線跟蹤、目標獲取和攔截等領域都收到良好的應用效果。
    美國安捷倫科技（Agilent Technologies）宣布推出全新系列352×288像素ADCS-1021和640×480像素ADCS-2021 彩色CMOS圖像傳感器和352×288像素ADCS-1121和640×480像素ADCS-2121單色CMOS圖像傳感器。與以往的產品相比，這些小型傳感器的體積減小了25%，表面封裝的厚度降低了50%，可以為家用和工控數碼相機提供結構更加緊湊、成本更低的解決方案。彩色圖像傳感器特別適用於數碼相機、手機和PDA使用的可拆卸相機以及數碼靜止及雙模相機。單色圖像傳感器則為生物檢測（識別如指紋的個體特征）、監控和安全、機器視覺和條碼掃描儀提供了理想之選。批量訂購每片ADCS-1021 或ADCS-1121 不超過5美元，單購每片ADCS-2021或ADCS-2121不超過7美元。

以生產高性能CCD而著稱的日本美國Kodak公司采用其自有的針孔二極管像素技術推出 640× 480像素 的 KAC-031 及 1280× 1024像素 的  KAC-1310CMOS 圖像傳感器 ，並為 專業攝影者以及有較高要求的業余攝影者提供有 4536×3024像 素 CMOS 傳感器的 DCS 相機。
    1997年成立的美國Peripheral Imaging (PIC)公司生產的1×256、1×512 和1×1024線陣光敏二極管CMOS圖像傳感器在紫外至近紅外光譜范圍都有很好的響應，可廣泛應用在光譜學、單色儀和光譜攝制儀等方面。由線陣CMOS圖像傳感器構成的Contract Image Sensor(CIS)接觸式傳感器已廣泛應用到條形碼掃描、復印機、傳真機及掃描儀等設備上。
    1997年成立的比利時Fill Factory公司已開發出 1280× 1024像素 IBIS4-1300  、 2210× 3002像素 IBIS46600 、 1280× 1024像素 IBIS14000 、 1280× 1024像素 IBIS5-1300 、 1280× 1024像素FUGA1000、 1280× 1024像素 LUPA1300 、 2048× 2048像素 LUPA4000 、512×512 像素STAR250、1024×1024像素STAR1000單色CMOS圖像傳感器。由於采用n阱像素結構（美國專利6,225,670），極大地提高了傳感器的靈敏度，同時使用的一種稱為雙斜線行轉移模式的技術可使傳感器動態范圍達到76dB，其中 LUPA1300 傳輸速率達450f/s， 可用於高速成像領域。
    加拿大DALSA擁有獨特的CMOS 芯片設計和生產技術，其產品遍布世界各地，是世界上最完備的圖像產品供應商之一。加拿大DALSA 公司推出 1024×1024像素DS-1x-01M28、1024×1024像素DS-21-001M0150、1024×1024像素DS-2x-01M75、640×480像素IA-G1-VGA 面陣CMOS 圖像傳感器。其采用LINLOG技術可使傳感器動態范圍高達120dB，通過調整分辨率楨頻可達100,000 f/s， IA-G1-VGA 的數據傳輸速率可達 800MB/s ，可用於生命科學研究、數碼相機，而且特別適宜用在諸如焊接、切割監測、機器人技術及交通管理等光線強度變化大的場合。
    美國Omnivision公司開發的 CMOS 圖像傳感器系列產品有1600×1200像素的OV2000、OV5000、OV6000、OV7000，800×600像素OV8000，1280×1024像素OV9000等多種系列黑白或彩色圖像傳感器。其產品既有模擬輸出又有數字輸出，OV7000系列及OV8000部分產品數字輸出可達16bit，OV2610像素達到1600×1200。
    體積小、重量輕、功耗低的CMOS 圖像傳感器在航空航天領域更是 獨樹一幟，多年來致力於航空航天事業的美國JPL將CMOS 圖像傳感器用於測量氣體洩露的光譜儀上，效果顯著。
    90年起就開始研究CMOS 圖像傳感器的Canon公司成功開發出325萬像素（2226×1460）CMOS圖像傳感器。這款圖像傳感器像素顆粒尺寸為10.5μm×10.5μm，芯片尺寸為15.1mm×22.7mm。Canon公司用該器件成功組裝了EOS-D30型CMOS單反數碼相機。
    美國Motorola 已推出針孔光敏管式 1280× 1024 像素MCM20027和 668× 488 像素MCM20114等集成了時序電路、控制電路、A/D轉換等功能的單片CMOS 圖像傳感器，該傳感器具有I ²C接口，光敏單元前有增大靈敏度的透鏡陣列。
    日本富士通(Fujitsu)公司推出CMOS圖像傳感器為MB86S02和MB86S03，它內置了該公司專利kTC消噪電路，可降低反饋噪聲，提高光線敏感度，從而使用戶可在低強度光源下拍照。
    韓國現代也已推出648×488 像素的HV7131E1、362×298 像素的HYCA2、652x488 像素的HYCA3、414×314 像素的HB7121B、800× 600 像素的 HV7141D 等多種格式CMOS圖像傳感器。
    國內眾多科研院所及公司都開展了CMOS圖像傳感器的研制和應用系統開發工作，並取得了一定的成績。 西安交通大學開元微電子科技有限公司已研制成功了 369× 287 、 768× 574 、 640× 480 、 512× 512 像素 CMOS 圖像傳感器，並且用該器件開發出了 M-N 型系列 CMOS 微型攝像機和可視電話。 北京中星科技有限公司在推出 30 萬像素 CMOS 數碼相機的基礎上， 2001 年 3 月開發出具有自主知識產權及國際一流水准的百萬級 CMOS 數碼圖像處理芯片「星光一號」。 2001 年 5 月該芯片實現產業化並投入國際市場，並為三星、飛利浦和富士通等國際知名品牌視頻攝像頭所采用。 2002 年 5 月 22 日中星科技有限公司的微型數碼相機用單芯片 CMOS 圖像處理芯片被列為北京市重大高新技術成果轉化項目。 2002 年 9 月 5 日該公司又研制成功了我國第一枚具有世界領先水平的發聲圖像處理芯片「星光二號」，該芯片首次將音頻和視頻固化一體並同步工作。
    近年來，中國台灣的許多公司發展較快，並已在國際市場佔有一席之地。成立於1997年的台灣 宜霖科技（ElecVision Inc. ）采用其非同步隨機訪問 CMOS 成像技術（ A synchronous Random- Access  MOS  Image Sensor ）推出176×144像素 EVS25K、352×288像素EVS100K、352×290像素EVS100K 511×492像素EVS250K黑白和彩色圖像傳感器及644×484像素EVS330K黑白和彩色圖像有源像素CMOS圖像傳感器。近期還將推出1280×1024像素EVS1300KCMOS圖像傳感器。台灣聯華電子公司以0.35μm工藝生產1664×1286像素、0.25μm生產1728×1296像素應用於高端數碼相機的CMOS圖像傳感器。台灣泰視科技的CMOS圖像傳感器包括：CIF、VGA、百萬像素產品，可用在多種領域，如：電腦相機、移動電話、PDA、玩具產品、監視器、影像電話等
    總的來說CMOS 圖像傳感器主要朝著高分辨率(4096×4096)、高動態范圍（120dB）、高靈敏度、超微型化、低功耗、數字化、多功能化、高度集成化的方向發展。國內廠家產品的技術水平與國外發達國家相比差距較大，因此加大大規模集成電路工藝的研發力度，優化CMOS圖像傳感器的電路設計，縮短與發達國家的差距刻不容緩。

 

四、結論
    世界上只有為數不多的幾家公司擁有成熟的CCD技術，而CMOS圖像傳感器采用標准的半導體制造工藝，因此幾乎所有擁有這種制造工藝的廠商都可以生產CMOS圖像傳感器， 從而競爭將使價格下降。象美國Kodak，加拿大DALSA這樣的公司，同時具有生產CCD和CMOS圖像傳感器的技術，才能在日益激烈的競爭中佔有穩定的市場份額。總之，CCD 將以其高質量的圖像仍在工業、科學研究及醫學領域佔領主要市場，而CMOS則以其高集成度、低功耗、體積小、成本低、對紫外到近紅外光有很好的響應、高達100%的填充系數、非破壞性讀出、高動態范圍、自掃描、單片相機系統、隨機訪問、有的甚至對X射線也有較好的響應等優點完全佔領PC終端、玩具、傳真機、安檢等應用領域並將在諸如航天這一對功耗、體積、質量、抗輻射尤為關注的領域佔一席之地。

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Review Of Current Developments And Trends Of CMOS Image Sensors

Abstract: With the development of VLSI, CMOS image sensor has developed increasingly. The CMOS APS technology allows the integration of timing and control electronics, imaging detector arrays, signal chains and analog-to-digital conversion on a single integrated circuit. The background is briefly described. The tradeoffs between CMOS and CCD are analyzed. The current developments and trends of CMOS image sensors are reviewed.

Keywords: CMOS image sensors; dynamic range; sensitivity

作者簡介：
王高， 山西省太原市華北工學院儀器科學與動態測試技術教育部重點實驗室講師，研究方向為激光器、光纖、 CCD及CMOS圖像傳感器等，發表學術論文多篇。
通訊地址：山西省太原市華北工學院儀器科學與動態測試技術教育部重點實驗室     郵編： 030051
電話： 0351-3942611 E-mail：[email protected]      

 

無論是CCD還是CMOS，它們都采用感光元件作為影像捕獲的基本手段，CCD/CMOS感光元件的核心都是一個感光二極管（photodiode），該二極管在接受光線照射之後能夠產生輸出電流，而電流的強度則與光照的強度對應。但在周邊組成上，CCD的感光元件與CMOS的感光元件並不相同，前者的感光元件除了感光二極管之外，包括一個用於控制相鄰電荷的存儲單元，感光二極管佔據了絕大多數面積—換一種說法就是，CCD感光元件中的有效感光面積較大，在同等條件下可接收到較強的光信號，對應的輸出電信號也更明晰。而CMOS感光元件的構成就比較復雜，除處於核心地位的感光二極管之外，它還包括放大器與模數轉換電路，每個像點的構成為一個感光二極管和三顆晶體管，而感光二極管佔據的面積只是整個元件的一小部分，造成CMOS傳感器的開口率遠低於CCD（開口率：有效感光區域與整個感光元件的面積比值）；這樣在接受同等光照及元件大小相同的情況下，CMOS感光元件所能捕捉到的光信號就明顯小於CCD元件，靈敏度較低；體現在輸出結果上，就是CMOS傳感器捕捉到的圖像內容不如CCD傳感器來得豐富，圖像細節丟失情況嚴重且噪聲明顯，這也是早期CMOS傳感器只能用於低端場合的一大原因。CMOS開口率低造成的另一個麻煩在於，它的像素點密度無法做到媲美CCD的地步，因為隨著密度的提高，感光元件的比重面積將因此縮小，而CMOS開口率太低，有效感光區域小得可憐，圖像細節丟失情況會愈為嚴重。因此在傳感器尺寸相同的前提下，CCD的像素規模總是高於同時期的CMOS傳感器，這也是CMOS長期以來都未能進入主流數碼相機市場的重要原因之一。