随着超大规模集成技术的发展,cmos图像传感器显示出强劲的发展趋势。cmos图像传感器可在单芯片内集成时序和控制电路、a/d转换、信号处理等功能。本文简单介绍了cmos图像传感器的背景,分析了cmos图像传感器和 ccd 图像传感器的优缺点,综述了目前cmos图像传感器的研究进展。 G)A5;u\P9
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一、前言 mQQ5>0^m
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自 60 年代末期美国贝尔实验室开发出固态成像器件和一维ccd 模型器件以来,ccd在图像传感、信号处理、数字存储等方面发展迅速。随着ccd器件的广泛应用,其缺点逐渐显露出来。为此,人们又开发了另外几种固态图像传感器,其中最有发展潜力的是采用标准cmos制造工艺制造的cmos图像传感器。| Bc{#ia
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实际上早在70 年代初,国外就已经开发出cmos 图像传感器,但成像质量不如ccd,因而一直无法与之相抗衡。90年代初期,随着超大规模集成技术的飞速发展,cmos 图像传感器可在单芯片内集成a/d转换、信号处理、自动增益控制、精密放大和存储等功能,大大减小了系统复杂性,降低了成本,因而显示出强劲的发展势头。此外,它还具有低功耗、单电源、低工作电压(3v~5v)、成品率高,可对局部像元随机访问等突出优点。因此,cmos图像传感器重新成为研究、开发的热点,发展极其迅猛,目前已占据低、中分辨领域。现在,cmos图像传感器的一些参数性能指标已达到或超过 )'{:4MX
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二、ccd 与 cmos 的比较 s=lkK/ [
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1、成像过程 ,B>Rc#
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ccd 和 cmos 使用相同的光敏材料,因而受光后产生电子的基本原理相同,但是读取过程不同:ccd 是在同步信号和时钟信号的配合下以帧或行的方式转移,整个电路非常复杂,读出速率慢;cmos 则以类似 dram的方式读出信号,电路简单,读出速率高。 dP(*IOO.
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2、集成度 gi;#?gps
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采用特殊技术的ccd读出电路比较复杂,很难将a/d转换、信号处理、自动增益控制、精密放大和存储功能集成到一块芯片上,一般需要 3~8 个芯片组合实现,同时还需要一个多通道非标准供电电压。借助于大规模集成制造工艺,cmos图像传感器能非常容易地把上述功能集成到单一芯片上,多数cmos图像传感器同时具有模拟和数字输出信号。 $7{V+>
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3、电源、功耗和体积 Ju$vuEO
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ccd 需多种电源供电,功耗较大,体积也比较大。cmos 只需一个单电源(3v~5 v)供电,其功耗相当于 ccd 的1/10,高度集成cmos 芯片可以做的相当小。 {`0GAW)q
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4、性能指标 f`X#1w9
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ccd 技术已经相当成熟,而 cmos 正处于蓬勃发展时期,虽然目前高端cmos图像质量暂时不如ccd,但有些指标(如传输速率等方面)已超过ccd。由于cmos具有诸多优点,国内外许多机构已经应用cmos图像传感器开发出众多产品。本文主要介绍已商品化的cmos图像传感器的发展现状以及最新发展动态,希望对下游产品的开发有所帮助。 jI$}\*g
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三、cmos的商业化产品 .!kqIx*3
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cmos图像传感器的迅速发展并商业化得益于成熟的cmos工艺,目前国外诸多公司和科研机构已经开发出不同光学格式、多种类型的cmos图像传感器,并将其应用于光谱学、x射线检测、天文学(观测研究)、空间探测、国防、医学、工业等不同的领域。 !$'s?rnh
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1997年成立的美国foveon公司于2003年推出了产品代号分别为f7x3-c9110、f19x3-a50的全色cmos图像传感器。f7x3-c9110的有效像素为2268 × 1512,具有像素可变、超低功耗(50mw)、低噪声、抗模糊等特点。该传感器已被用在日本sigma sd10单反数码相机上,该相机在低照度条件下积分时间可达30s。f19x3-a50除具有上述特点外,片上还具有高达40mhz的12位a/d转换器和集成数字处理器。由于采用独特的x3技术,该cmos图像传感器感光阵列可在一个像元位置同时获得红、绿、蓝三种颜色信号。配置了这款图像传感器的数码产品主要面向专业摄影师、业余摄影爱好者等消费群体。据报道,美国foveon和国家半导体公司合作,采用0.18μmcmos工艺首次开发成功了1600万像素(4096×4096)cmos图像传感器,这是迄今为止全球集成度最高的cmos图像传感器,像元尺寸为5mm×5mm,芯片尺寸为22mm×22mm。 s9 '*Vm
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美国silicon video(svi)公司主要面向高清晰度数字电视、高清晰度数字电影及广播等领域,该公司于2003年6月收购photon vision systems (pvs) 公司后,使用pvs独特的有源列传感专利技术(acs)已制造出lis-1024、elis-1024及slis-2048线阵cmos图像传感器和具有低暗电流、高灵敏度和扫描速度的3840×2192像素面阵单片cmos成像系统。有源列传感专利技术(acs)可降低放大器固定图案噪声,增加填充系数,提高灵敏度和动态范围及提高扫描速度。slis-2048线阵cmos图像传感器灵敏度为5μv/e,扫描频率为60mhz,填充系数>99,动态范围为63 db。目前该公司正在开发用于便携设备的超低功耗rplis-2048线阵cmos图像传感器。 9,|&+G$
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美国micro公司推出像素分别为252×288、640×480、382×288和1280×1024的面阵光敏二极管图像传感器,其中像素为1280×1024的mt9m413的读出速率达660mb/s,可用于高级机器视觉系统及高速成像系统。如果以1280×128面阵的形式传输数据,则最高读出速率可达4,000fps。
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