標籤:成像

CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor),中文學名為互補金屬氧化物半導體,它本是計算機系統內一種重要的晶元,保存了系統引導最基本的資料。CMOS的製造技術和一般計算機晶元沒什麼差別,主要是利用硅和鍺這兩種元素所做成的半導體,使其在CMOS上共存著帶N(帶-電) 和 P(帶+電)級的半導體,這兩個互補效應所產生的電流即可被處理晶元紀錄和解讀成影像。後來發現CMOS經過加工也可以作為數碼攝影中的圖像感測器,CMOS感測器也可細分為被動式像素感測器(Passive Pixel Sensor CMOS)與主動式像素感測器(Active Pixel Sensor CMOS)

1介紹

當今的CMOS圖像轉換技術不僅服務於「傳統的」工業圖像處理,而且還憑藉其卓越的性能和靈活性而被日益廣泛的新穎消費應用所接納。此外,它還能確保汽車駕駛時的高安全性和舒適性。最初,CMOS圖像感測器被應用於工業圖像處理;在那些旨在提高生產率、質量和生產工藝經濟性的全新自動化解決方案中,它至今仍然是至關重要的一環。
據市場研究公司IMS Research的預測,在未來的幾年中,歐洲工業圖像處理市場的年成長率將達到6%,其中,在相機中集成了軟體功能的智能型解決方案的市場份額將不斷擴大。在德國,據其全國工具機供應商協會VDMA提供的數據,2004年的圖像處理市場增長率達到了14%。市場調研公司In-Stat/MDR亦指出,單就圖像感測器的次級市場而言,其年成長率將高達30%以上,而且這種情況將持續到2008年。最為重要的是:CMOS感測器的成長速度將達到CCD感測器的七倍,照相手機和數碼相機的迅速普及是這種需求的主要推動因素。
顯然,人們如此看好CMOS圖像轉換器的成長前景是基於這樣一個事實,即:與壟斷該領域長達30多年的CCD技術相比,它能夠更好地滿足用戶對各種應用中新型圖像感測器不斷提升的品質要求,如更加靈活的圖像捕獲、更高的靈敏度、更寬的動態範圍、更高的解析度、更低的功耗以及更加優良的系統集成等。此外,CMOS圖像轉換器還造就了一些迄今為止尚不能以經濟的方式來實現的新穎應用。另外,還有一些有利於CMOS感測器的「軟」標準在起作用,包括:應用支持、抗輻射性、快門類型、開窗口和光譜覆蓋率等。不過,這種區別稍帶幾分任意性,因為這些標準的重要程度將由於應用的不同(消費、工業或汽車)而發生變化。

2難題

就像我們從模擬攝影所獲知的那樣,拍攝一幅完整場景的照片是一件相當普通的事情,照相手機同樣如此。但是,對於工業或汽車應用來說,情況就大不一樣了:有些場合併不需要很高的全幀數據速率。比如,在監控攝像機中,只要能夠發現一幅場景中出現的變化(因為這種變化可能預示著某種可疑情況),那麼解析度低一點也是完全可以接受的。在此基礎之上才需要藉助全解析度來採集更多的細節信息。跟著發生的動作將只在攝像機視場的某一部分當中進行播放,而且,在所捕獲的場景中,只有這一部分才是監控人員所關注的。
對於只提供全幀圖像的CCD圖像感測器而言,只有採用一個分離的評估電路才能夠提供兩個觀測角度,這意味著處理時間和成本的增加。然而,CMOS圖像感測器的工作原理則與RAM相似,所有的存儲位均可單獨讀出。CMOS感測器的二次採樣雖然提供了較低的解析度,但是幀速率較高;而開窗口則允許隨機選擇一塊感興趣的區域。

3優勢

最新CMOS感測器獲得廣泛應用的一個前提是其所擁有的較高靈敏度、較短曝光時間和日漸縮小的像素尺寸。像素靈敏度的一個衡量尺度是填充因子(感光面積與整個像素麵積之比)與量子效率(由轟擊屏幕的光子所生成的電子的數量)的乘積。CCD感測器因其技術的固有特性而擁有一個很大的填充因子。而在CMOS圖像感測器中,為了實現堪與CCD轉換器相媲美的雜訊指標和靈敏度水平,人們給CMOS圖像感測器裝配上了有源像素感測器(APS),並且導致填充因子降低,原因是像素表面相當大的一部分面積被放大器晶體管所佔用,留給光電二極體的可用空間較小。所以,當今CMOS感測器的一個重要的開發目標就是擴大填充因子。賽普拉斯(FillFactory)通過其獲得專利授權的一項技術,可以大幅度地提高填充因子,這種技術可以把一顆標準CMOS硅晶元最大的一部分面積變為一塊感光區域。隨著像素尺寸的變小,提高填充因子所來越困難,目前最流行的技術是從傳統的前感光式(FSI,Front Side Illumination)變為背部感光式(BSI,Back Side Illumination),放大器等晶體管以及互聯電路置於背部,前部全部留給光電二極體,這樣就實現了100%的填充因子(如右側示意圖所示)。
CMOS感測器
另外,對於一個典型的工業用圖象感測器而言,由於許多場景的拍攝都是在照明條件很差的情況下進行的,因此擁有較大的動態範圍將是十分有益的。CMOS圖像感測器通過多斜率操作實現了這一目標:轉換曲線由傾度不同的直線部分所組成,它們共同形成了一個非線性特徵曲線。因此,一幅場景的黑暗部分有可能佔據集成模擬-數字轉換器轉換範圍的很大一部分:轉換特徵曲線在這裡最為陡峭,以實現高靈敏度和對比度。特徵曲線上半部分的平整化將在圖像的明亮部分捕獲幾個數量級的過度曝光,並以一個更加細緻的標度來表現它們。採用多斜率的方式來運作LUPA-4000將使高達90dB的光動態範圍與一個10位A/D轉換範圍相匹配。
具有VGA解析度的IM-001系列CMOS圖像感測器在此基礎上更進一步;它們是專為汽車應用而設計的。其像素由光電二極體組成,可提供高達120dB的自適應動態範圍。面向汽車應用的ACM 100相機模塊就採用了這些感測器,這種相機模塊據稱是同類產品中率先面市的全集成化相機解決方案:該視覺解決方案被看作是面向駕駛者保護、防撞、夜視支持和輪胎跟蹤導向的未來汽車安全系統的關鍵元件。
此外,對於獨立於電網的攜帶型應用而言,以低功耗特性而著稱的CMOS技術還具有一個明顯的優勢:CMOS圖像感測器是針對5V和3.3V電源電壓而設計的。而CCD晶元則需要大約12V的電源電壓,因此不得不採用一個電壓轉換器,從而導致功耗增加。在總功耗方面,把控制和系統功能集成到CMOS感測器中將帶來另一個好處:它去除了與其他半導體元件的所有外部連接線。其高功耗的驅動器如今已遭棄用,這是因為在晶元內部進行通信所消耗的能量要比通過PCB或襯底的外部實現方式低得多。

4光譜靈敏

在現代CMOS圖像感測器中,一個重要的發展趨勢是其光譜靈敏度擴展到了近紅外區NIR(至約1,100nm的波長)。配備了IM-001 CMOS圖像感測器的汽車應用將改善霧穿透力和夜視能力。由於工業圖像捕獲技術開始運用更多波長位於NIR之中的光源,而且生物技術也在利用該光譜區域中的有趣現象,因此,新開發的IBIS 5-AE-1300感測器具有700~900nm的NIR靈敏度。
在面向消費應用的圖像捕獲技術中,另一個發展趨勢是繼續提高解析度。到2005年年中,70%左右的手機相機已具有VGA格式解析度(640×480像素);但隨後的2006年,幾百萬像素的感測器就將佔領50%的市場份額,而到2008年,其市場佔有率預計將進一步攀升至90%以上。為此,賽普拉斯公司開發了一種用於蜂窩電話的300萬像素圖像感測器,該產品採用了Autobrite技術,可進行12位模擬/數字轉換,並提供了72dB的寬廣動態範圍,而目前市面上的10位模擬/數字轉換器的動態範圍僅為60dB。逐行掃描模式中的幀速率高達30幀/秒,因而可錄製實況視頻節目。
在工業和商業領域中,這種發展趨勢也很明顯:賽普拉斯已推出一款用於Kodak數碼相機的1,300萬像素/35mm圖像感測器,另外,660萬像素的IBIS 4-6600感測器正在一種面向弱視人群的自動閱讀輔助裝置中證明自己的卓越品質--它可在一幅完整的標準A4頁面上提供出色的解析度。
憑藉技術實現系統集成 由於蜂窩電話、數碼相機、MP3播放機和PDA等傳統分離型功能設備的加速數字融合(即成為一部緊湊的消費型電子產品),導致人們越來越希望至少具有部分自主性的子系統能夠在一部設備中提供極為寬泛的功能。這種趨勢還將對專業測量技術產生影響:利用包含一個數碼相機、PDA用戶介面和WLAN聯網能力的攜帶型檢驗工具,光測試和監視的應用範圍將得到有效的拓展。作為一種平台技術,CMOS符合這一發展潮流:CCD圖像轉換器仍然需要採用外部邏輯電路來實現控制和模擬/數字轉換功能,而CMOS標準邏輯器件則能夠把感測器、控制器、轉換器和評估邏輯電路等全部集成到一塊晶元之中。
一個典型的例子如專門針對要求苛刻的消費應用而製作的CYIWCSC1300AA晶元的圖像捕獲電路。它基於130萬像素圖像感測器CYIWOSC1300AA 和一個用於提供誤差插補、黑電平調整、透鏡校正、信號互串校正、彩色馬賽克修補、彩色校正、自動曝光、雜訊抑制、特效和γ校正等等諸多功能的附加信號處理器。集成更多的系統功能(一直到自主型光電感測器系統)是可行的,這主要取決於諸如市場容量和開發成本等經濟目標和限制因素。
IMS Research公司的資深市場分析家John Morse指出:「工業圖像處理市場的變化非常快,不光是在技術層面上,而且還涉及近期發生的製造商合併事件。我們認為這種趨勢還將繼續下去。」果真如此,那麼這同樣適用於賽普拉斯公司:通過收購MIT(美國麻省理工學院)於1999年成立的SMal Camera Technologies公司,賽普拉斯已將其業務觸角延伸到了消費和汽車領域;而兼并FillFactory(這是一家於1999年從總部位於比利時Leuven的著名歐洲微電子和納米技術研究中心IMEC抽資脫離而成的公司)則使賽普拉斯進一步躋身工業領域。
CMOS圖像感測器市場正在蓬勃發展之中,即將成為一個大規模市場。它在很大程度上仍然依賴於客戶專用設計來滿足規格和系統集成方面的一組定製要求。不過,它將越來越多地提供通用的標準解決方案。解析度、幀速率和靈敏度的提高以及成本的下降正使其應用領域不斷地擴大。要的一環。

5像素結構

CMOS感測器按為像素結構分被動式與主動式兩種。
主動式
主動式像素結構(Active Pixel Sensor.簡稱APS),又叫有源式,如圖2所示. 幾乎在CMOS PPS像素結構發明的同時,人們很快認識到在像素內引入緩衝器或放大器可以改善像素的性能,在CMOS APS中每一像素內都有自己的放大器。集成在表面的放大晶體管減少了像素元件的有效表面積,降低了「封裝密度」,使40%~50%的入射光被反射。這種感測器的另一個問題是,如何使感測器的多通道放大器之間有較好的匹配,這可以通過降低殘餘水平的固定圖形雜訊較好地實現。由於CMOS APS像素內的每個放大器僅在此讀出期間被激發,所以CMOS APS的功耗比CCD圖像感測器的還小。
靈敏度
由於CMOS感測器的每個象素由四個晶體管與一個感光二極體構成(含放大器與A/D轉換電路),使得每個象素的感光區域遠小於象素本身的表面積,因此在象素尺寸相同的情況下,CMOS感測器的靈敏度要低於CCD感測器。
解析度
CMOS感測器的每個象素都比CCD感測器複雜,其象素尺寸很難達到CCD感測器的水平,因此,當比較相同尺寸的CCD與CMOS感測器時,CCD感測器的解析度通常會優於CMOS感測器的水平。例如,市面上CMOS感測器最高可達到210萬象素的水平(OmniVision的 OV2610,2002年6月推出),其尺寸為1/2英寸,象素尺寸為4.25μm,但Sony在2002年12月推出了ICX452,其尺寸與 OV2610相差不多(1/1.8英寸),但解析度卻能高達513萬象素,象素尺寸也只有2.78μm的水平。
功耗
CMOS感測器的圖像採集方式為主動式,感光二極體所產生的電荷會直接由晶體管放大輸出,但CCD感測器為被動式採集,需外加電壓讓每個象素中的電荷移動,而此外加電壓通常需要達到12~18V;因此,CCD感測器除了在電源管理電路設計上的難度更高之外(需外加 power IC),高驅動電壓更使其功耗遠高於CMOS感測器的水平。舉例來說,OmniVision推出的OV7640(1/4英寸、VGA),在 30 fps的速度下運行,功耗僅為40mW;而致力於低功耗CCD感測器的Sanyo公司推出的1/7英寸、CIF等級的產品,其功耗卻仍保持在90mW 以上。因此CCD發熱量比CMOS大,不能長時間在陽光下工作。
綜上所述,CCD感測器在靈敏度、解析度、雜訊控制等方面都優於CMOS感測器,而CMOS感測器則具有低成本、低功耗、以及高整合度的特點。不過,隨著CCD與CMOS感測器技術的進步,兩者的差異有逐漸縮小的態勢,例如,CCD感測器一直在功耗上作改進,以應用於移動通信市場(這方面的代表業者為Sanyo);CMOS感測器則在改善解析度與靈敏度方面的不足,以應用於更高端的圖像產品。

6廠商

投入CMOS研發、生產的廠商較多,美國有30多家,歐洲7家,日本約8家,韓國1家,台灣有8家。而居全球翹楚地位的廠商是Agilent(HP),其市場佔有率51%、ST(VLSI Vision)佔16%、Omni Vision佔13%、現代佔8%、Photobit約佔5%,這五家合計市佔率達93%。
OmniVision
OmniVision成立於1995年(以下簡稱OV),2002年6月領先其它同業率先推出210萬象素的OV2610震驚市場,雖然目前採用此感測器量產的產品並不多,但這已說明CMOS感測器可以開始進入原本屬於CCD感測器的中高端數碼相機市場; OV的數據顯示,目前已有天瀚、明、鴻友等台灣商家開始採用該公司的OV2610。展望2003年,OV將在1季度~2季度之間推出330萬象素、1/2英寸的產品,采TSMC 0.18mm工藝生產,再次拓展CMOS感測器的應用範圍。在行動電話市場上,CMOS模組的攝相模塊已經成為移動通訊應用的最大量產品。
在低功耗產品方面,OV也在2002年12巒瞥雋薕V7640,可以在2.5V的環境下運行,為目前VGA產品中功耗最低的晶元。而在2003 年新規劃的產品方面,OV計劃在下半年推出130萬象素、1/4英寸,以及VGA、1/7英寸的產品,希望在CCD廠家推出低功耗的130萬素產品之前,先行搶佔市場先機。
Aptina
Photobit在2000年獲得較大成功。2001年Photobit率先研發出PB-0330產品型號的CMOS圖像感測器,此產品特色具備單一晶片邏輯轉數位的變頻器,它是第二代1/4寸的VGA(640 x 480),同時也推出PB-0111產品型號的CMOS影像感測器,是第二代1/5寸的CIF(352 x 288)。Photobit推出這兩種產品主要針對數碼相機和PC Camera這些近年來蓬勃發展的數位化產品,和OmniVision CIF(352 x 288)定位在行動電話市場上有所區隔,其推出CIF(352 x 288)和VGA(640 x 480)這兩種不同解析程度的影像感測器,行銷範圍意圖含蓋低階和中高階市場。Photobit 後來被Micron(美光)收購。之後,Micron把圖像感測器部門獨立出來,成立了現在的Aptina。
其它公司
最具特色的是Sanyo,該公司致力於改善CCD 感測器的功耗,以相機電話為主要應用目標,之前J-Phone率先推出的Sharp J-SHxx系列便是採用Sanyo的CIF級CCD感測器,Sharp、Toshiba等手機廠家也計劃在02年4季度~03年1季度之間陸續引入 Sanyo的VGA產品。Matsushita、Sharp的產品規劃與Sony相差不多,主要差異在於Matsushita準備推出更小的400萬象素 (1/2.7英寸)與130萬象素(1/4英寸)產品。

7發展前景

專家們認為,21世紀初全球CMOS圖像感測器市場將在PC攝像機、移動通信市場、數碼相機、攝像機市場市場等領域獲得大幅度增長,在未來的幾年時間內,在130 萬像素至200萬像素之下的產品中,將開始以CMOS感測器為主流。以小型化和低功耗CMOS圖像感測器為核心的攝像機正在成為消費類產品的主流,上述領域將為圖像感測器市場帶來巨大發展。

8業界動態

2009年8月28日,索尼秋季數碼影像新品發布會在北京隆重舉行,索尼宣布在三條產品線推出共十款數碼影像新品。其中 DSC-TX1和DSC-WX1首次應用了新型影像感測器Exmor R CMOS影像感測器,它採用先進的背照射技術,其對光線的靈敏度比傳統的CMOS影像感測器提高了約2倍,大幅提升了拍攝畫質,得到明亮畫面的同時更好地降噪,使得在低照度條件下仍然可以獲得細節豐富的照片,造就卓越的夜間拍攝性能。該感測器具備1020萬有效像素,支持從ISO100~ISO3200的感光度範圍,並支持720p的高畫質動態影像視頻拍攝。性能強大的Exmor R MOS配合BIONZ影像處理器,可以快速準確地處理海量信息,使DSC TX1和WX1具備了手持夜景模式、全景拍攝、動作防抖和每秒最高約10張。
三星電子公司提高CMOS感測器靈敏度的背面照射(BSI:backside illumination)技術達到了實用化水平,2010年將批量生產產品。三家大型CMOS感測器公司均將在2010年開始量產採用背面照射技術的 CMOS感測器(BSI型CMOS感測器)。三星在工藝技術方面將採用適於降低成本的方法。之所以著手從事BSI技術,是因為通過提高靈敏度能夠維持相同的靈敏度同時縮小像素間距。據該公司估算,1.4μm間距的BSI型能夠獲得與基於現有技術的FSI(Front Side Illumination)型1.75μm間距產品相同的畫質。同一像素間距,BSI型的靈敏度可以比FIS型高30%。三星為在今後量產1.1μm間距產品等間距更小的元件,將增加BSI型的比例。該公司計劃把2010年首批量產的BSI型CMOS感測器做成支持1460萬像素和30幀/秒的元件。預計將配備於數碼相機、數碼攝像機及高端手機等設備上。

9發展趨勢

感測器架構可由兩分式、四分式或一個像素陣列組成。輸出可為并行模擬輸出,或一個10位數字輸出或數字串列LVDS輸出。每個輸出可高達每秒5,000萬次的採樣速度,這樣就能實現每秒55億像素的吞吐量。迄今為止,該圖像感測器是具有最高連續像素吞吐量的一款。圖像質量至少達到10位精度,因此攝像頭數字化之後,數據吞吐量可為每秒55Gbit。這樣高速的應用通常需要6個電晶體快照像素,且需要較高的靈敏度和動態範圍。圖像感測器的靈敏度很大程度上取決於像素尺寸,而大的像素尺寸就需要大面積特定應用的定製圖像感測器。內部多路復用技術可支持更高幀速率的隨機窗口。如果將窗口大小縮至較小的ROI(圈選目標區域),那麼最快速度器件的幀速率可達每秒170,000幀。大多數感測器都採用0.25工藝。
目前,CMOS是高速成像所青睞的技術。在當前市場中,我們可以發現高速圖像感測器有三大發展趨勢,一是向極高速方向發展,二是向片上特性集成方向發展,三是向通用高速圖像感測器方向發展。
解析度和幀速率相結合,發揮著重要的作用。目前,我們可以推出1024×1024像素的圖像感測器,工作速度達到每秒5,000個全幀。如果模數轉換為10位的話,那麼這就是說攝像頭上的總數據速率可達每秒55Gbit。為了實現感測器上極高的數據速率和高圖像質量,尤其是對這種高敏感度的應用而言,我們不僅要設計出正確的電子線路,還要確保整個線路布局實現良好的平衡性。這就是說,電源線路應實現極佳的分佈,而且布局中每個線路節點的所有光學和雜散光靈敏反應都應得到很好的控制。並需要採用低功耗模塊設計,以確保滿足整體功耗要求。
高速成像領域還有另一種趨勢,就是把高速ADC、時序發生器、LVDS發射器和校正演算法的片上集成趨勢。這種圖像感測器通常在速度和靈敏度方面不如上述圖像感測器,但在易用性和系統集成功能方面頗有長處。目前市場上新興的第三種圖像感測器就是通用高速圖像感測器。具有模擬輸出或不具有時序發生器功能的老式(簡單式)通用圖像感測器正在被速度更快、更複雜的圖像感測器所取代。這種新型圖像感測器使我們能在較短時間內就設計出通用高速攝像頭。
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