圖像傳感器

圖像傳感器的寫法

圖像傳感器介紹

圖像傳感器屬于光電產業里的光電元件類，隨著數碼技術、半導體制造技術以及網絡的迅速發展，目前市場和業界都面臨著跨越各平臺的視訊、影音、通訊大整合時代的到來，勾劃著未來人類的日常生活的美景。以其在日常生活中的應用，無疑要屬數碼相機產品，其發展速度可以用日新月異來形容。短短的幾年，數碼相機就由幾十萬像素，發展到４００、５００萬像素甚至更高。不僅在發達的歐美國家，數碼相機已經占有很大的市場，就是在發展中的中國，數碼相機的市場也在以驚人的速度在增長，因此，其關鍵零部件——圖像傳感器產品就成為當前以及未來業界關注的對象，吸引著眾多廠商投入。以產品類別區分，圖像傳感器產品主要分為ＣＣＤ、ＣＭＯＳ以及ＣＩＳ傳感器三種。

發展及應用

可視信息日趨重要,隨著多媒體系統的發展,圖像傳感器成為人們關注的焦點。眼睛是人類和動物的圖像接收器,而圖像傳感器則是電子設備的圖像接收器。圖像傳感器有兩種：線型圖像傳感器一般用在傳真機及掃描儀之類的產品中;面型圖像傳感器則廣泛地用于攝錄像機,安全保衛照相機、數碼相機及計算機照相機,并開始用于傳統上的非視像產品,如移動電話、個人數字助理(PDA)等。

面型圖像傳感器中有CCD和CMOS兩種模式。通常,傳送優良圖像質量的設備都采用CCD圖像傳感器,而注重功耗和成本的產品則選擇CMOS圖像傳感器。但新的技術正在克服每種器體固有的弱點,同時保留了適合于特定用途的某些特性。目前兩種圖像傳感器仍隨著信息、通信、互聯網及便攜式電子設備的發展而發展。比如,圖像傳感器在移動電話以及攝錄像機和數碼相機方面都面對著一個急速成長的市場。歐洲、韓國及日本制造商卻關注著帶內置照相機的移動電話,它將給圖像接收設備創造一個不斷成長的市場。

CCD圖像傳感器由在單晶硅基片上呈二維排列的光電二極管及其傳送電路構成。光電二極管把光轉換成電荷,再經轉換電路傳送和輸出。

CCD圖像傳感器按其傳送方法分為兩類(圖1)。行間傳送(IT)型幾乎每一像素都有移位寄存器,并把來自光電二極管的圖像值送到移位寄存器。CCD用微鏡覆蓋,以改善占空因素。在幀行間傳送(FIT)CCD(有人稱之為全幀傳送CCD)中,CCD把整整一幀的圖像數據送入串行移位寄存器,由它進行未加工原始圖像的處理。此外,該系統還把電荷迅速傳送進儲能器,供橫向寄存器進行電荷的連續輸出。三洋電子及Philips消費電子公司是兩家FIT系統應用到CCD圖像傳感器的制造商。

通常光電二級管均勻排列成矩形點陣,但某些制造商已開發出了不同的設計。幾年前,日本富士照相膠卷公司與富士膠卷微器件公司共同開發了SuperCCD蜂房傳感器技術。這種結構不是傳統的縱橫向排列,而采用了錯列方式,既提高了空間使用率和像素密集度,又符合人類視覺的特點。富士膠卷在其數碼相機上采用這一結構,獲得了優良的圖像質量。今年初公司推出了供數碼相機用的質量更高的超級CCD蜂房傳感器,獨具橫向與縱向像素的混合功能,并有信號處理能力,使靈敏度達到ISO1600級。因此,該傳感器能以30fps速率攝錄VGA移動圖像,還能在各種場合包括暗處捕捉圖像。

采用FIT圖像傳感器的三洋公司,設計了CCD傳感器用芯片級封裝(CSP),是最早采用CSP的產品之一。它在2片玻璃板之間夾著CCD基片,并在后續級上備有信號處理LSI(大規模IC)。攝錄時鐘與輸出電路的功耗從5V降為2.8V,從而CCD圖像傳感器的功耗可與CMOS圖像傳感器相當。公司正把這種CCD傳感器用到電池工作的移動電話中。公司還提供傳輸速度15fps以下5mW的單獨CCD傳感器樣品。

CMOS圖像傳感器

CMOS傳感器采用與存儲器及邏輯IC同樣的互補金屬氧化物半導體(CMOS)工藝。傳統上,CMOS傳感器的靈敏度較低,在燈光暗淡場合轉發的圖像質量不佳。因此,即使CMOS傳感器的靈敏度較低,且可運用單一電源,但在大批量產品中的應用依然落在了CCD圖像傳感器的后面。

今天情況正在發生變化。CMOS圖像傳感器除了在移動終端及電子手持或圖像設備應用時具有低功耗優勢,之外,其靈敏度也取得了新的進展。移動電話極大的市場潛力,促使許多公司跨入CMOS圖像傳感器領域。夏普是首先進入的公司之一,它為日本移動服務提供商J-Phone開發了一種內置照相機的移動電話機。該產品獲得巨大成功,為其他同類制造商鋪平了發展道路。

器件的圖像質量通過工藝與電路技術進步而大獲改善,在照相機亮度方面的靈敏度尤有改進。東芝公司年初推出了一種VGA級傳感器TCM5063T和CIF傳感器TCM5073T,在黑暗處攝錄較之普通產品,其輸出電壓只及三分之一,靈敏度高一倍,照明亮度只要3勒克斯。它采用的是新開發的低漏泄電源光電二極管。

像CCD傳感器一樣,封裝技術是CMOS傳感器面臨的一大問題,問題在于如何縮小包括信號處理LSI在內的照相機模塊尺寸。富士通公司為此開發成功一種CMOS傳感器模塊尺寸為7.80×6.98×4.98mm,體積0.27cc。這種單芯片產品采用了公司自己的凸點芯片載體(BCC-BumpChipCarrier)封裝,這是一種無引線模壓線鍵合的芯片規模封裝,采用樹脂凸點。不久,公司還將推出另一類傳感器模塊系列,采用更低漏泄電流的改進工藝技術。

圖像傳感器市場

隨著技術和應用的迅速發展,中國臺灣、韓國、美國及其他地區的半導體制造商也開始進入CMOS圖像傳感器市場。中國臺灣和韓國公司都正加強其CMOS傳感器業務活動,臺灣的ICMedia公司已開發出了一種4勒克斯亮度模塊,并積極開拓移動電話、PDA、數碼相機及其它增長市場。韓國三星電子公司也把其CMOS傳感器業務看作支柱產品,正大力招徠日本移動電話制造商。與此同時,日本SeikoEpson公司則得到了Innotech公司關于閾值電壓調制圖像傳感器(VMIS-VoltageModulationImageSensor)的授權。VMIS是一種固體傳感器,它把CMOS工藝與相當于CCD器件的圖像質量結合一起,通過最有效地把光電二極管電荷轉換成電荷而達到優質圖像質量。

過去大多數面型圖像傳感器(CCD都用作攝錄機、汽車監視系統及其他自動檢測設備(即所謂“電眼”)。然而,當90年代中期CasioComputer公司推出QV10數碼相機后,開辟了一個嶄新市場,圖像傳感器市場正隨著數碼相機工業的迅速增長而急劇擴大(參見圖2)。

許多業界人士預料,今年全球數碼相機市場即將突破2000萬臺,成為超過攝錄機的主要市場。

數碼相機技術經過100萬像素的機型到200萬像素稍后達到了400萬像素,今天的機型更高達500萬像素,在理論上其圖像質量已能與膠卷相機媲美。不過現在主流產品大多還是200萬像素左右的照相機。一些制造商正擴充機型,以求大量銷售;此外,一些開發商仍繼續在像素密度上努力。

數碼相機市場的特征是地區和主題的競爭,除EastmanKodak公司外,數碼相機的早期開發商和制造商大多為日本公司,它們的產品行銷全球。然而近來中國臺灣制造商也正全力搶入這一市場。

除了公司之間的競爭外,還有各種產品之間的競爭,眼下,CMOS圖像傳感器正在爭奪CCD早已確立的地位,這一走勢始于夏普推出的SH-04模塊。CMOS器件小巧省電,對移動式互聯網終端的開發商與制造商極具吸引力。

競爭的加劇,也迫使CCD制造商加緊了對產品的改進。一些著眼于移動電話市場的制造商正競相開發小型低功耗CCD照相機模塊,另一些則關注CCD傳感器的超級圖像質量。三洋公司開發的超小型CCD照相機模塊,生產能力已達50萬塊,不久將上升到150萬塊。富士照相機膠卷公司開發的SuperCCDHoneycomb除供自己的數碼相機用外,還打算進入移動電話市場,前景可觀。

CahnersIn-statGroup的調查表明,2003年后,業界可望從內置相機的移動電話大量上市而獲得豐厚的利潤。日本市場分析家認為,2003年帶內置相機的移動電話將占全球市場的10[%],2004年將上升到占20[%]。

總之,數碼相機用圖像傳感器今年可望突破2000萬個,明年接近3000萬個,2004年將增加到了500萬個左右。移動電話用圖像傳感器發展最快,明年接近2000萬個,2004年可望達6000萬個。此外,2004年計算機照相機用圖像傳感器預計可達3500萬個,數字攝錄機用的1280萬個,PDA和手持計算機用的580萬個,汽車用的530萬個。

CMOS/CCD工作原理

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后能夠產生輸出電流，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的感光元件并不相同，前者的感光元件除了感光二極管之外，包括一個用于控制相鄰電荷的存儲單元，感光二極管占據了絕大多數面積—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，除處于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，而感光二極管占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于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于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傳感器只能用于低端場合的一大原因。CMOS開口率低造成的另一個麻煩在于，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?？偸歉哂谕瑫r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。

每個感光元件對應圖像傳感器中的一個像點，由于感光元件只能感應光的強度，無法捕獲色彩信息，因此必須在感光元件上方覆蓋彩色濾光片。在這方面，不同的傳感器廠商有不同的解決方案，最常用的做法是覆蓋RGB紅綠藍三色濾光片，以1：2：1的構成由四個像點構成一個彩色像素（即紅藍濾光片分別覆蓋一個像點，剩下的兩個像點都覆蓋綠色濾光片），采取這種比例的原因是人眼對綠色較為敏感。而索尼的四色CCD技術則將其中的一個綠色濾光片換為翡翠綠色（英文Emerald，有些媒體稱為E通道），由此組成新的R、G、B、E四色方案。不管是哪一種技術方案，都要四個像點才能夠構成一個彩色像素，這一點大家務必要預先明確。

在接受光照之后，感光元件產生對應的電流，電流大小與光強對應，因此感光元件直接輸出的電信號是模擬的。在CCD傳感器中，每一個感光元件都不對此作進一步的處理，而是將它直接輸出到下一個感光元件的存儲單元，結合該元件生成的模擬信號后再輸出給第三個感光元件，依次類推，直到結合一個感光元件的信號才能形成統一的輸出。由于感光元件生成的電信號實在太微弱了，無法直接進行模數轉換工作，因此這些輸出數據必須做統一的放大處理—這項任務是由CCD傳感器中的放大器專門負責，經放大器處理之后，每個像點的電信號強度都獲得同樣幅度的增大；但由于CCD本身無法將模擬信號直接轉換為數字信號，因此還需要一個專門的模數轉換芯片進行處理，最終以二進制數字圖像矩陣的形式輸出給專門的DSP處理芯片。而對于CMOS傳感器，上述工作流程就完全不適用了。CMOS傳感器中每一個感光元件都直接整合了放大器和模數轉換邏輯，當感光二極管接受光照、產生模擬的電信號之后，電信號首先被該感光元件中的放大器放大，然后直接轉換成對應的數字信號。換句話說，在CMOS傳感器中，每一個感光元件都可產生最終的數字輸出，所得數字信號合并之后被直接送交DSP芯片處理—問題恰恰是發生在這里，CMOS感光元件中的放大器屬于模擬器件，無法保證每個像點的放大率都保持嚴格一致，致使放大后的圖像數據無法代表拍攝物體的原貌—體現在最終的輸出結果上，就是圖像中出現大量的噪聲，品質明顯低于CCD傳感器。

CCD尺寸

說到CCD的尺寸，其實是說感光器件的面積大小，這里就包括了CCD和CMOS。感光器件的面積越大，也即CCD/CMOS面積越大，捕獲的光子越多，感光性能越好，信噪比越低。CCD/CMOS是數碼相機用來感光成像的部件，相當于光學傳統相機中的膠卷。

CCD上感光組件的表面具有儲存電荷的能力，并以矩陣的方式排列。當其表面感受到光線時，會將電荷反應在組件上，整個CCD上的所有感光組件所產生的信號，就構成了一個完整的畫面。

如果分解CCD，你會發現CCD的結構為三層，層是“微型鏡頭”，第二層是“分色濾色片”以及第三層“感光層”。

層“微型鏡頭”

我們知道，數碼相機成像的關鍵是在于其感光層，為了擴展CCD的采光率，必須擴展單一像素的受光面積。但是提高采光率的辦法也容易使畫質下降。這一層“微型鏡頭”就等于在感光層前面加上一副眼鏡。因此感光面積不再因為傳感器的開口面積而決定，而改由微型鏡片的表面積來決定。

第二層是“分色濾色片”

CCD的第二層是“分色濾色片”，目前有兩種分色方式，一是RGB原色分色法，另一個則是CMYK補色分色法這兩種方法各有優缺點。首先，我們先了解一下兩種分色法的概念，RGB即三原色分色法，幾乎所有人類眼鏡可以識別的顏色，都可以通過紅、綠和藍來組成，而RGB三個字母分別就是Red,Green和Blue，這說明RGB分色法是通過這三個通道的顏色調節而成。再說CMYK，這是由四個通道的顏色配合而成，他們分別是青（C）、洋紅(M)、黃(Y)、黑(K)。在印刷業中，CMYK更為適用，但其調節出來的顏色不及RGB的多。

原色CCD的優勢在于畫質銳利，色彩真實，但缺點則是噪聲問題。因此，大家可以注意，一般采用原色CCD的數碼相機，在ISO感光度上多半不會超過400。相對的，補色CCD多了一個Y黃色濾色器，在色彩的分辨上比較仔細，但卻犧牲了部分影像的分辨率，而在ISO值上，補色CCD可以容忍較高的感光度，一般都可設定在800以上

第三層：感光層

CCD的第三層是“感光片”，這層主要是負責將穿過濾色層的光源轉換成電子信號，并將信號傳送到影像處理芯片，將影像還原。

傳統的照相機膠卷尺寸為35mm，35mm為膠卷的寬度（包括齒孔部分），35mm膠卷的感光面積為36x24mm。換算到數碼相機，對角長度約接近35mm的，CCD/CMOS尺寸越大。在單反數碼相機中，很多都擁有接近35mm的CCD/CMOS尺寸，例如尼康德D100，CCD/CMOS尺寸面積達到23.7x15.6，比起消費級數碼相機要大很多，而佳能的EOS-1Ds的CMOS尺寸為36x24mm，達到了35mm的面積，所以成像也相對較好。

現在市面上的消費級數碼相機主要有2/3英寸、1/1.8英寸、1/2.7英寸、1/3.2英寸四種。CCD/CMOS尺寸越大，感光面積越大，成像效果越好。1/1.8英寸的300萬像素相機效果通常好于1/2.7英寸的400萬像素相機(后者的感光面積只有前者的55[%])。而相同尺寸的CCD/CMOS像素增加固然是件好事，但這也會導致單個像素的感光面積縮小，有曝光不足的可能。但如果在增加CCD/CMOS像素的同時想維持現有的圖像質量，就必須在至少維持單個像素面積不減小的基礎上增大CCD/CMOS的總面積。目前更大尺寸CCD/CMOS加工制造比較困難，成本也非常高。因此，CCD/CMOS尺寸較大的數碼相機，價格也較高。感光器件的大小直接影響數碼相機的體積重量。超薄、超輕的數碼相機一般CCD/CMOS尺寸也小，而越的數碼相機，CCD/CMOS尺寸也越大。

新型CMOS原理及設計

金屬氧化物半導體元件(ComplementaryMetal-OxideSemiconductor，CMOS)圖像傳感器和電荷耦合元件(ChargeCoupledDevice，CCD)攝像器件在20年前幾乎是同時起步的。CCD是應用在攝影攝像方面的高端技術元件，CMOS則應用于較低影像品質的產品中。

由于CCD器件有光照靈敏度高、噪音低、像素小等優點，所以在過去15年里它一直主宰著圖像傳感器市場。與之相反，CMOS圖像傳感器過去存在著像素大，信噪比小，分辨率低這些缺點，一直無法和CCD技術抗衡。但是隨著大規模集成電路技術的不斷發展，過去CMOS圖像傳感器制造工藝中不易解決的技術難關現已都能找到相應解決的途徑，從而大大改善了CMOS圖像傳感器的圖像質量。

1CMOS有源像素傳感器

近來CMOS圖像傳感器受到重視首要原因在于過去大大低于CCD的靈敏度問題逐步得到解決。因為與CCD相比，CMOS傳感器具有更好的量產性，而且容易實現包括其他邏輯電路在內的SoC(SystemonChip)產品，而這在CCD中卻很難實現。尤其是CMoS傳感器不像CCD那樣需要特殊的制造工藝，因此可直接使用面向DRAM等大批量產品的生產設備。這樣一來，CMOS圖像傳感器就有可能形成完全不同于CCD圖像傳感器的成本結構。

圖1示出了有源像素CMOS圖像傳感器(ActivePixelSensor，APS)的功能結構圖，其中成像部分為光敏二極管陣列(PhotoDiodeArray)。

四場效應管(4T)有源像素CMOS圖像傳感器的每個像素由光敏二極管、復位管T2、轉移管T1、源跟隨器T3和行選通開關管T4組成，如圖2所示。

轉移管T1被用來將光敏二極管連接至源跟隨器T3，并通過復位管T2與VDD相連。T3的柵極與T1和T2之間的N+擴散區相連。與3T結構的APS相比，減少了與T3的柵極相關的漏電流效應。源跟隨器T3的作用是實現對信號的放大和緩沖，改善APS的噪聲問題。T4是用來將信號與列總線相連。其工作過程是：首先進入“復位狀態”，T2打開，對光敏二極管復位；然后進入“取樣狀態”，T2關閉，光照射到光敏二極管上產生光生載流子，并通過源跟隨器T3放大輸出；進入“讀出狀態”，這時行選通管T4打開，信號通過列總線輸出。

APS具有低讀出噪聲和高讀出速率等優點，但像素單元結構復雜，填充系數降低，填充系數一般只有20％～30％。為了提高像素的填充系數，APS在像素的上方設置了微透鏡(Micro-lenses)，如圖3所示。

由APS陣列所獲得的圖像信息，經過圖1中列模數轉換器(ColumnADC)轉換為數字信號后，再經過一系列的后續處理過程，得到輸出如圖4所示的幀圖像數據結構。

2圖像的預處理過程及方法

為了得到良好的圖像質量，需要對所采集的原始圖像數據進行處理。一般上，圖像的預處理是在協處理器中完成的。最近，隨著SoC技術的發展，可以在CMOS傳感器中集成圖像預處理功能．這正顯示了CMOS圖像傳感器的優勢所在。

圖像的預處理主要包括了缺陷修正、去除FPN噪聲、色彩差值，圖像銳化差值、光圈修正、Gamma修正等一系列處理。

通過數字圖像處理算法來實現來實現上述的圖像預處理過程，其硬件平臺可以是集成在SoC中的圖像處理電路、ASIC圖像處理芯片，或通用的DSP芯片。首先是消除圖像中的缺陷，如果某一個像素中有缺陷，而導致了其輸出電平被鉗位于高電乎(黑點)或低電平(白點)，就需要通過圖像處理來進行彌補。通常是使用其周圍相同顏色像素的平均值來代替該像素的輸出值。

通常情況下，不同列的列模／數轉換器存在著差異，這就導致了固定模式噪聲(fixedPatternNoise，FPN)的產生。圖4中BlackLines中的數據就是用來消除FPN的。協處理器會利用這一部分數據來達到消除FPN的目的。

由于每個像素上為某種彩色濾光片，所以要通過色彩差值來得到其余兩種色彩信息。Gamma修正是為了消除在電學器件和光學器件之間在信號傳輸上的非線性效應。

從以上的圖像處理過程可知，許多算法中使用了差值，這就導致了圖像的平滑化，而為了恢復銳利的圖像，就需要進行光圈修正。在圖像處理中，通過邊緣檢測而得到的銳化邊緣對差值后的平滑圖像進行卷積，從而得到銳利的圖像。

3結語

為了提高CMOS圖像傳感器的圖像質量，通過對圖像主要的噪聲源以及圖像失真的分析，本文提出了一種新型的CMOS有源像素圖像傳感器。該CMOS圖像傳感器使用4T有源像素，大大提高了圖像傳感器的靈敏度。通過在傳感器中集成圖像預處理功能，對改善圖像的質量起到了很好的效果。