AI-302 040452 图像传感器

图像传感器属于光电产业里的光电元件类，随着数码技术、半导体制造技术以及网络的迅速发展，目前市场和业界都面临着跨越各平台的视讯、影音、通讯大整合时代的到来，勾划着未来人类的日常生活的美景。以其在日常生活中的应用，无疑要属数码相机产品，其发展速度可以用日新月异来形容。短短的几年，数码相机就由几十万像素，发展到４００、５００万像素甚至更高。不仅在发达的欧美国家，数码相机已经占有很大的市场，就是在发展中的中国，数码相机的市场也在以惊人的速度在增长，因此，其关键零部件——图像传感器产品就成为当前以及未来业界关注的对象，吸引着众多厂商投入。

图像传感器主要应用产品 手 机 摄像头 数码摄像机 数码相机

图像传感器的基本知识 1：什么是图像传感器 图像传感器是传感技术中最主要的一个分支，广泛应用于各种领域，它是 PC 机多 媒体世界今后不可缺少的外设，也是保安器件，包括光电鼠标、支持数码照相技术的手机以及消费电子、医药和工业市场中的各种新应用。每种应用都有其独特的客户系统要求。

图像传感器的基本知识 2：图像传感器的分类 以产品类别区分，图像传感器产品主要分为ＣＣＤ（ Charge Coupled Device ，电荷耦合元件）、ＣＭＯS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor ，金属氧化物半导体元件）以及CIS(Contact Image Sensor) 接触式图像传感器三种。这里将主要简介ＣＣＤ以及ＣＭＯＳ传感器的技术和产业发展现状。

图像传感器的发展现况 一、ＣＣＤ图像传感器 CCD：电荷藕合器件图像传感器CCD（Charge Coupled Device），它使用一种高感光度的半导体材料制成，能把光线转变成电荷，通过模数转换器芯片转换成数字信号，数字信号经过压缩以后由相机内部的闪速存储器或内置硬盘卡保存，因而可以轻而易举地把数据传输给计算机，并借助于计算机的处理手段，根据需要和想像来修改图像。CCD由许多感光单位组成，通常以百万像素为单位。当CCD表面受到光线照射时，每个感光单位会将电荷反映在组件上，所有的感光单位所产生的信号加在一起，就构成了一幅完整的画面。

CCD传感器工作原理 在CCD传感器中，大部分功能在相 机的印刷电路板中生成。如果应用 需要变化，设计师只要重新设计这 个电路板而不必重新设计图象传感 器。

ＣＣＤ传感器有以下优点： 1.　高解析度（High Resolution）：像点的大小为μm级，可感测及识别精细物体，提高影像品质。从早期1寸、1/2寸、2/3寸、1/4寸到最近推出的1/9寸，像素数目从初期的10多万增加到现在的400～500万像素； 2.　低杂讯（Low Noise）高敏感度：ＣＣＤ具有很低的读出杂讯和暗电流杂讯，因此提高了信噪比（SNR），同时又具高敏感度，很低光度的入射光也能侦测到，其讯号不会被掩盖，使ＣＣＤ的应用较不受天候拘束； 3.　动态范围广（High Dynamic Range）：同时侦测及分办强光和弱光，提高系统环境的使用范围，不因亮度差异大而造成信号反差现象。 4.　良好的线性特性曲线（Linearity）：入射光源强度和输出讯号大小成良好的正比关系，物体资讯不致损失，降低信号补偿处理成本；高光子转换效率（High Quantum Efficiency ）：很微弱的入射光照射都能被记录下来，若配合影像增强管及投光器，即使在暗夜远处的景物仍然还可以侦测得到；

5.　大面积感光（Large Field of View）：利用半导体技术已可制造大面积的ＣＣＤD晶片，目前与传统底片尺寸相当的35mm的ＣＣＤ已经开始应用在数码相机中，成为取代专业有利光学相机的关键元件； 光谱响应广（Broad Spectral Response）：能检测很宽波长范围的光，增加系统使用弹性，扩大系统应用领域； 6.　低影像失真（Low Image Distortion）：使用CCD感测器，其影像处理不会有失真的情形，使原物体资讯忠实地反应出来； 7.　体积小、重量轻：CCD具备体积小且重量轻的特性，因此，可容易地装置在人造卫星及各式导航系统上； 8.　低秏电力，不受强电磁场影响； 9.　电荷传输效率佳：该效率系数影响信噪比、解像率，若电荷传输效率不佳，影像将变较模糊； 10.　可大批量生产，品质稳定，坚固，不易老化，使用方便及保养容易。

CCD的发展现状 根据In-Stat在２００１时对全球图像传感器的研究报告中指出，ＣＣＤ产业前七大厂商皆为日系厂商，占了全球９８.５％的市场份额，在技术发展方面，目前较有特色的主要厂商应为索尼、飞利普和柯达公司。 飞利普公司在ＣＣＤ产品方面的优势为，具有业界最大尺寸的ＣＣＤ传感器，在数码相机的应用中，其３５mm尺寸的ＣＣＤ已经应用在“Contax”的数码相机中，成为专业数码相机的代言人。其次该公司还具有独特的“Frame-Transfer CCD”（面扫描）技术，该产品在应用中，可实现每秒３０-６０幅的速率。这是真正视频信号的速度。 柯达的ＣＣＤ采用了广受好评的ＩＴＯ　ＣＣＤ（氧化铟锡）技术，而不是传统的聚硅化合物。其特点是敏锐度更高，透光性比一般ＣＣＤ提高了２０％，对于一般ＣＣＤ感应较弱的蓝光以及抗杂讯干扰方面有突破性的改善，其对蓝光感应能力提高了２.５倍，同时大幅降低了杂讯干扰，使影像更强锐利、色彩更加准确，为专业数码摄影提供了高解析度、锐利度的影像。 传统ＣＣＤ使用的是矩形的感光单元，而富士公司２年前研制的“ＳｕｐｅｒＣＣＤ（超级蜂窝结构）使用的是八边形的感光单元，使用了蜂巢的八边形结构，因此其感光单元面积要高于传统ＣＣＤ。这样会获得三个好处，一是可以提高ＣＣＤ的感光度、二是提高动态范围、三是提高了信噪比。这三个优点加上ＳｕｐｅｒＣＣＤ更高的生成像素成为富士公司在数码相机产品上的最大卖点。

二.CMOS图像传感器 CMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor），互补金属氧化物半导体 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。 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）。CCD和CMOS采用类似的色彩还原原理，但是CMOS传感器信噪比差，敏感度不够的缺点使得目前CCD技术占据了数码摄影大半壁江山。 不过CMOS技术也有CCD难以比拟的优势，普通CCD必须使用3个以上的电源电压，而CMOS在单一电源下就可以运作，因而CMOS耗电量更小，与CCD产品相比，CMOS是标准工艺制程，可利用现有的半导体制造流水线，不需额外投资设备，且品质可随半导体技术的提升而进步，CMOS传感器的最大优势是售价比CCD便宜近1/3。 CMOS影像传感器的另一优点，是与周边电路的整合性高，可将ADC与讯号处理器整合在一起，使体积大幅缩小。

CMOS传感器工作原理 CMOS图象传感器在象素 素内部完成电荷－电压的 转换，并且大部分功能 被集成在了传感器内部 。虽然如此会降低传感 器的应用灵活性，但是 却增加了其在恶劣环境 中的可靠性。

图像传感器发展趋势 一.CCD发展趋势 1、CCD传感器的像面尺寸向集成化各轻量化方向的发展    由于制造CCD传感器的硅片和加工成本都很高，所以很希望一片6.5英寸的硅片上光刻出更多的CCD传感器芯片；以由于光刻机的进步，所以在仍保持具有很高灵敏度的特性下，CCD传感器的尺寸向1/2英寸、1/3英寸、1/4英寸、1/5英寸的方向发展。 2、CCD传感器向高素数、多制式发展各种CCD传感器的像面尺寸在减少，但其像素数在增加，已由早期的512（H）×596(V)向795（H）×596（V）发展,甚至出现超过百万像素的CCD传感器。为提高水平方向和垂直方向的分辨能力，已从通常的隔行扫描向逐行扫描格式发展。 3、降低CCD传感器的工作电压、减少功耗    在初期研制的CCD摄像机有+24V、+22V、+17V和+5V等，目前通用的为+12V。为配合PC摄像机和网络图像传输的应用，逐步以+12V和+5V两种工作电压为主。

二.CMOS发展趋势 发展趋势之一是减小传感器面积：一个典型的例子就是安装于STM Medizintechnik公司推出的新颖的一次性结肠镜(用于检测发病率居第二位的癌症)上的用户定制设计彩色图像传感器BOCA(512×512像素，每个像素的尺寸为6μm×6μm)。集成时钟发生和FPN校正实现了一种非常紧凑的结构，从而推动了这种高度清洁的患者友好型内窥镜检查法的诞生。 另一个趋势是采用具有极大面积的传感器，将其作为传统、复杂的X光片程序的替代方案。利用这种所谓“滚压”技术，即可在8英寸晶圆(今后还可在12英寸晶圆)上实现CMOS图像传感器的经济型生产。这正在加快现代医学图像处理方法(迄今为止一直采用的是由非晶硅制成的光电二极管阵列)的进步。 同样，分辨率也始终在提高。 CMOS图像传感器所适用的频谱范围正在变得越来越宽。利用进一步改良的CMOS工艺，其感光性可扩展至近红外(NIR)区域。这是通过(多个)EPI层来实现的，而且对多晶硅的依赖程度正日益降低。

1． 灵敏度（Responsivity）：传感器对单位光照积累信号的能力。 图象传感器主要特性参数 1． 灵敏度（Responsivity）：传感器对单位光照积累信号的能力。 一般来说，由于CMOS传感器的增益部分可以在内部轻易实现，因此它比CCD要或多或少地占些优势。两者内部的互补晶体管电路可以允许低功耗、高增益的放大输出，CCD相对要消耗更多的能量。某些CCD生产商正在通过最新的读出放大技术改善这种状况。 2． 动态范围（Dynamic Range）：传感器象素达到饱和时的电压输出于其能够响应的最低光照的电压输出的比值。 通常CCD的动态范围比CMOS传感器高出约1倍左右。同时，CCD器件由于芯片内部集成器件少而有着更低的噪声输出。在外部，通过对CCD芯片的制冷技术、采用更好的光学系统，可以实现比CMOS器件更高的分辨率和适应性。

3． 象素均匀性（Uniformity）：在理想均匀光照条件下各个象素输出的差异。 理想状态下各个象素在均匀光照的条件下的输出应当是相同的，但是由于现有的晶片工艺在空间上的差异，尤其是其中的暇疪和放大器参数的不一致，造成的象素输出是非均匀的。需要注意的是在光照条件下的均匀性和接近全暗条件下的均匀性（译者注：后者为暗电流噪声）是两个不同的概念。CMOS传感器在上述两种条件下的均匀性均处于劣势，这是由于它的每个象素都包含一个开环输出放大器，而放大器的增益、偏置等参数在目前的晶片工艺下无法达到很高的一致性。某些人甚至预测随着几何尺寸的缩减和差异的增加，CCD将最终击败CMOS传感器。 尽管如此，基于反馈的放大器结构可以在光照条件下对增益和均匀性作最佳的折衷处理。这种放大器结构可以使得CMOS传感器的光照均匀性接近CCD传感器的水平。 另一方面，CMOS的放大器在偏置参数上仍无法保证均匀性，这主要的表现就是无光照条件下的均匀性参数。尽管CMOS的生产商采取各种方法降低这种非均匀性，但是现在它仍然无法达到CCD的水平。这个参数在高速应用中尤为重要，因为这种非均匀性在高速使用时将对整体输出起到显著影响

4． 快门速度：开始和结束曝光的能力。 5． 速度： 6． 窗口功能： 这是基本上所有消费级和大部分工业级CCD的标准参数，尤其是在隔行转移器件中，它也是机器视觉应用中一个极重要的参数。CCD可以采用高级的电子快门技术，在损失最小的填充率（译者注：即有效曝光区域和传感器有效感光区域物理尺寸的比值）上达到最佳的折衷，即使是小象素的CCD传感器也是如此。 5． 速度： 由于CMOS的驱动部分集成在器件内部，减少了诸如电感、电容及传输延时等，因此通常可以达到比CCD更高的运行速度。目前CMOS器件的速度并没有达到其最高水平，这是因为早期关注的焦点是在对速度要求不高的消费领域的应用，而CCD通常应用于工业、科学和医疗领域。 6． 窗口功能： CMOS传感器的一个特殊的功能就是允许读出图象阵列的一部分。这有利于提高其扫描速度。在某些场合的应用中，例如对短时间内物体轨迹高精度跟踪的应用，需要利用CMOS器件的这个功能。CCD传感器通常无法实现这个功能。

7． 抗溢出功能：能够排耗局部曝光过度的电荷积累而不影响图象其它区域的能力。 CMOS传感器基本上天然的就是抗溢出的。而CCD则需要增加额外的工程设计达到这个目标。许多针对消费应用的CCD具有抗溢出功能，而针对科学应用的则没有这个功能。 8． 偏置和时钟 CMOS传感器通常只需要一个偏置电压和一个低电压时钟信号。非标准的偏置在芯片内部产生并与用户接口隔离，除非有一些噪声信号泄漏出来。CCD则通常需要相对高的偏置电压，现代的CCD器件工艺也可以在低电压时钟下工作。

市场产品简介 最小的CMOS传感器 日本Micron公司发布了其最新研发的目 前世界上最小的CMOS图像传感器 MT9E001，该图像传感器尺寸大小为 1.75×1.75μm，具有800万像素，最高 分辨率可达到3264×2448。此外， MT9E001还可以支持30fps分辨率为 1600×1200像素的动态短片拍摄，连拍 性能也大大提高，可以在最高分辨率下 达到10张/秒的连拍速度。