傳統(tǒng)的CCD(電荷耦合器件)圖像傳感器技術(shù)已不再能夠滿足當(dāng)前的工業(yè)和專業(yè)圖像捕獲的需要?；跇?biāo)準(zhǔn)CMOS技術(shù)的創(chuàng)新面型傳感器是一種可行的替代方案，因?yàn)樗鼈兙哂畜@人的靈活性、卓越的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性并可容易地集成到各類系統(tǒng)環(huán)境中(醫(yī)療電子產(chǎn)品領(lǐng)域中的新穎應(yīng)用便是其中的典型)。

從CCD向CMOS的過渡趨勢

在過去的大約30年時(shí)間里，CCD一直被用于圖像轉(zhuǎn)換。作為一種成熟的技術(shù)，它們提供了上佳的圖像質(zhì)量和低噪聲。由于是電荷耦合器件，因而它們?cè)谙袼刂g順次傳遞其圖像數(shù)據(jù)。為此，它們需要多種工作電壓、外部時(shí)鐘發(fā)生器和精細(xì)復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)及評(píng)估電子電路，從而產(chǎn)生了相當(dāng)大的空間需求和功耗。于是，這些圖像傳感器的性能特征和使用靈活性不再能夠完全滿足現(xiàn)今的系統(tǒng)要求。因而導(dǎo)致了目前的技術(shù)世代更替，就是從CCD圖像傳感器過渡到CMOS面型傳感器，因?yàn)槿藗冏钕蛲奶匦允牵焊觾?yōu)良的系統(tǒng)集成、較低的功率要求、更加靈活的圖像捕獲、智能化程度更高的接口、更大的動(dòng)態(tài)范圍以及更高的感光度。

更加優(yōu)越的系統(tǒng)集成

隨著數(shù)字融合技術(shù)(即：把諸如圖像捕獲、圖像處理和無線通信等過去分離的功能整合到一個(gè)緊湊型設(shè)備之中)的發(fā)展，人們對(duì)于至少具有部分自主性的子系統(tǒng)(它們?cè)谝粋€(gè)標(biāo)準(zhǔn)部件中提供了盡可能多的功能單元)的需求呈上升勢頭。例如：在專業(yè)測量技術(shù)中，具有靈活數(shù)字?jǐn)z像機(jī)、PDA用戶接口和WLAN(無線局域網(wǎng))連接的便攜式檢查設(shè)備非常有效地?cái)U(kuò)展了光學(xué)測試和監(jiān)視任務(wù)的范圍。醫(yī)學(xué)圖像處理是圖像傳感器的另一個(gè)傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域，從大型X光片到所有的內(nèi)窺鏡檢查法、再到作為一種易于處理的清潔產(chǎn)品的可吞咽型“藥丸式攝像機(jī)”等不一而足。這里，CMOS技術(shù)提供了一種能力極強(qiáng)的實(shí)現(xiàn)平臺(tái)：雖然CCD圖像傳感器仍然需要采用另一種技術(shù)的外部邏輯電路(用于控制和模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換)，但CMOS攝像芯片則允許采用相同的技術(shù)來實(shí)現(xiàn)圖像傳感器、控制器、轉(zhuǎn)換器和評(píng)估邏輯電路以及HF發(fā)送器，因而可將它們置于同一塊芯片之上。將更多的系統(tǒng)功能集成到一個(gè)自主型光電傳感器系統(tǒng)中是可能的，并且基本上取決于指定的使用范圍以及基本的經(jīng)濟(jì)性條件(比如：開發(fā)成本和單位數(shù)量)。

低功率要求

與電源網(wǎng)絡(luò)無關(guān)的便攜式設(shè)備的經(jīng)濟(jì)型操作只有在元件和子系統(tǒng)具有低功率要求時(shí)才會(huì)奏效。顯然，CMOS技術(shù)在這方面是具有優(yōu)勢的，因?yàn)镃MOS圖像傳感器指定用于單獨(dú)的低電源電壓(約3.3V或2.5V)，而大多數(shù)CCD芯片則需要采用多個(gè)且數(shù)值較高的電源電壓(例如：12V)。這些電壓必須采用耗能而且占用寶貴電路板空間的變壓器來生成。如果控制和系統(tǒng)功能被集成于CMOS傳感器中，則整體性能甚至將更加優(yōu)越，這是因?yàn)樵谑s了至其他半導(dǎo)體元件的外部互連電纜的同時(shí)，其功耗極高的驅(qū)動(dòng)器也被免除：與通過電路板或襯底所進(jìn)行的外部通信相比，芯片內(nèi)部通信所需的功率要低得多。一個(gè)令人欣喜的附帶效果是CMOS圖像傳感器的低噪聲輻射。另一方面，由于把模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器集成在圖像傳感器內(nèi)部意味著容易遭受干擾的模擬信號(hào)線無須引出，因此它們的抗噪聲性能相當(dāng)高。取而代之的是，數(shù)字圖像輸出信號(hào)使得系統(tǒng)集成人員能夠更加容易地在不產(chǎn)生重大開銷的情況下組裝一個(gè)堅(jiān)固的CMOS攝像機(jī)，令其亦可在嚴(yán)酷惡劣的工作環(huán)境中使用。諸如藥丸式攝像機(jī)和內(nèi)診鏡等人體內(nèi)部的醫(yī)療應(yīng)用由于冷卻可能性有限、功率受限(對(duì)于藥丸式攝像機(jī))以及溫度需與人體相符等緣故，因而要求低功耗。

更加靈活的圖像捕獲

在醫(yī)療和工業(yè)應(yīng)用中，被捕獲圖像常常只有一個(gè)特定的細(xì)節(jié)是相關(guān)的，但是，由于CCD圖像傳感器的順序電荷轉(zhuǎn)移，因此只能讀出其完整的圖像內(nèi)容(即：全幀)。然后，必須采用一個(gè)單獨(dú)的評(píng)估電路從中提取所需的部分。

而CMOS圖像傳感器的結(jié)構(gòu)則與存儲(chǔ)器陣列相似，因此可通過二次采樣或選擇圖像區(qū)域的一部分(即：開窗口)來對(duì)單獨(dú)的像素或像素組進(jìn)行尋址和讀出操作。

盡管二次采樣提供了一個(gè)分辨率較低(但幀速率提高了許多倍)的規(guī)則采樣模式，但開窗口功能卻允許選擇一個(gè)有用的部分。窗口四角的坐標(biāo)通過一個(gè)串行或并行接口傳輸至CMOS傳感器，傳感器將自動(dòng)對(duì)其加以處理，以控制讀出操作。這也是把附加邏輯電路集成到CMOS傳感器之中的一個(gè)典型的例子，而這在CCD中是無法實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)樗鼈兯捎玫募夹g(shù)并非特別適合于邏輯電路。

更高的動(dòng)態(tài)范圍

在逆光條件下(此時(shí)要求圖像傳感器具有高動(dòng)態(tài)范圍)，工業(yè)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中會(huì)出現(xiàn)許多有趣的場景。在采用線性傳感器時(shí)，動(dòng)態(tài)范圍與信噪比(SNR)精確對(duì)應(yīng)，而CMOS圖像傳感器的多斜率操作則使得動(dòng)態(tài)范圍能夠在SNR保持不變的情況下大幅度增加。這一點(diǎn)從光強(qiáng)和輸出電壓之間的分段線性關(guān)系當(dāng)中即可看出，它在整個(gè)轉(zhuǎn)換范圍內(nèi)產(chǎn)生了一種非線性特性。

因此，模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換范圍將充斥著一幅場景的黑暗部分：這里，轉(zhuǎn)換特性曲線最陡峭，并確保了高感光度和對(duì)比度。通過使特性曲線的上部變得水平，還能夠適當(dāng)?shù)夭东@明亮區(qū)域中的小面積過度曝光。這樣，就可以把一個(gè)高達(dá)100dB的場景動(dòng)態(tài)范圍映射到一個(gè)10位的A/D轉(zhuǎn)換范圍。

更高的感光度

圖像傳感器的發(fā)展趨勢是更高的感光度、更短的曝光時(shí)間和越來越小的像素尺寸。因此，圖像傳感器必須充分利用其接收到的為數(shù)不多的光子。填充因數(shù)與量子效率的乘積是判斷像素感光度的關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)，量子效率表示在光子的作用之下所生成的電子數(shù)量。幾何填充因數(shù)是感光像素面積所占的百分比，這是因?yàn)橐粋€(gè)CMOS像素只有一部分能夠“看見東西”，這與CCD傳感器是不同的。因此，實(shí)現(xiàn)高填充因數(shù)是主要的目標(biāo)之一。

利用一項(xiàng)專利技術(shù)，賽普拉斯公司使其CMOS工藝有源像素傳感器(APS)擁有了高填充因數(shù)。它把采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝時(shí)硅芯片表面大多數(shù)惰性/非光敏部分變換成感光區(qū)域。小型像素對(duì)呈任何入射角度的光線進(jìn)行處理，并表現(xiàn)出低電平暗電流的特征。這是可能的，因?yàn)楣饷舳O管也檢測在位于整個(gè)像素表面之下的外延層中產(chǎn)生的光電子。

當(dāng)前的發(fā)展趨勢

以賽普拉斯所屬的FillFactory公司(一家在有源像素CMOS圖像傳感器技術(shù)領(lǐng)域居領(lǐng)先地位的企業(yè))推出的創(chuàng)新產(chǎn)品為例，我們將其目前的一些發(fā)展趨勢重點(diǎn)闡述如下。FillFactory公司于1999年從IMEC(歐洲領(lǐng)先的納米技術(shù)和納米電子研究中心，地處比利時(shí)Leuven)獨(dú)立出來，并且從該中心接收了許多有經(jīng)驗(yàn)的員工和專利。去年，賽普拉斯出于完善其產(chǎn)品門類的考慮而收購了FillFactory公司。

在與FillFactory公司CMOS圖像傳感器的制造商和最終用戶保持溝通的支持之下，賽普拉斯正通過旨在實(shí)現(xiàn)最佳品質(zhì)和成品率的CMOS圖像傳感器設(shè)計(jì)、現(xiàn)行CMOS生產(chǎn)工藝的最佳使用、封裝中的優(yōu)化安裝以及靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能特征與功能的改善、并按照經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)性的原則始終如一地開發(fā)、拓寬自己的產(chǎn)品門類。

發(fā)展趨勢之一是減小傳感器面積：一個(gè)典型的例子就是安裝于STM Medizintechnik公司推出的新穎的一次性結(jié)腸鏡(用于檢測發(fā)病率居第二位的癌癥)上的用戶定制設(shè)計(jì)彩色圖像傳感器BOCA(512×512像素，每個(gè)像素的尺寸為6μm×6μm)。集成時(shí)鐘發(fā)生和FPN校正實(shí)現(xiàn)了一種非常緊湊的結(jié)構(gòu)，從而推動(dòng)了這種高度清潔的患者友好型內(nèi)窺鏡檢查法的誕生。

另一個(gè)趨勢是采用具有極大面積的傳感器，將其作為傳統(tǒng)、復(fù)雜的X光片程序的替代方案。利用這種所謂“滾壓”技術(shù)，即可在8英寸晶圓(今后還可在12英寸晶圓)上實(shí)現(xiàn)CMOS圖像傳感器的經(jīng)濟(jì)型生產(chǎn)。這正在加快現(xiàn)代醫(yī)學(xué)圖像處理方法(迄今為止一直采用的是由非晶硅制成的光電二極管陣列)的進(jìn)步。

同樣，分辨率也始終在提高。例如：6.6M像素傳感器IBIS4-6600憑借一個(gè)DIN A4頁面的上佳分辨率而在面向視覺受損者的自動(dòng)閱讀裝置中證明了自己。該傳感器是一個(gè)完整的子系統(tǒng)，由片內(nèi)模擬圖像捕獲、數(shù)字化和信號(hào)預(yù)處理電路組成，工作電源電壓為2.5V。其2210×3002像素的傳感器陣列基于把已獲專利的三晶體管單元作為一個(gè)具有高填充因數(shù)的N阱像素(尺寸為3.5×3.5μm)。憑借40Msps的采樣速率，該10位分辨率的并行輸出轉(zhuǎn)換器每秒可提供5幅完整的圖像。為了與標(biāo)準(zhǔn)視頻編碼器相連，除了10位寬度的圖像數(shù)據(jù)之外，該圖像傳感器還提供了用于圖像、線路和像素的同步信號(hào)。

分辨率為3048×4560像素的該新型IBIS4-14000-M圖像傳感器是與地處Erfurt的X-Fab公司共同開發(fā)的，并提供了13.85M像素的分辨率。像素尺寸為8μm×8μm，從而總共形成了一個(gè)與完整的35mm格式相等的傳感器面積。幀重復(fù)頻率高于三幀/秒(通過四個(gè)模擬輸出)。它支持任何可編程開窗口和二次采樣操作模式，而且，其光學(xué)動(dòng)態(tài)范圍被規(guī)定為65dB。不少公司目前都在采用該傳感器來開發(fā)各種生物特征識(shí)別應(yīng)用。

CMOS圖像傳感器所適用的頻譜范圍正在變得越來越寬。利用進(jìn)一步改良的CMOS工藝，其感光性可擴(kuò)展至近紅外(NIR)區(qū)域。這是通過(多個(gè))EPI層來實(shí)現(xiàn)的，而且對(duì)多晶硅的依賴程度正日益降低。

前景展望

CMOS圖像傳感器市場的發(fā)展態(tài)勢十分迅猛，正逐步成為一個(gè)大眾化市場。這一部分是借助通用的標(biāo)準(zhǔn)解決方案來實(shí)現(xiàn)的，這些解決方案憑借較高的分辨率和幀速率以及更高的光敏性和較低的成本而令其在日趨廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域中一展身手。不過，更多的做法是采用特征值和系統(tǒng)集成的一種定制應(yīng)用模式來進(jìn)行客戶化開發(fā)。