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(多图) 看CMOS/CCD图像传感器的突破性进展

Roger Allan?? 《Electronic Design》?? 2013年01月18日 ?? 收藏0
最新一代CMOS和CCD图像传感器具有更大的频谱宽度、更高的灵敏度、更低的工作噪声和更小的外形尺寸。更先进的制造工艺还实现了更低的成本。此外,创新架构也正在给电路设计带来更大的灵活性和通用性。

其结果是,图像传感器现已被广泛用于手机、笔记本和膝上电脑、数码相机、视频游戏机、玩具、医疗设备、汽车、安全设备、工业设备和许多其它应用。IC Insights公司预测,CMOS和CCD图像传感器在今后5年内的年复合增长率(CAGR)将达到14%。这两种类型图像传感器都已找到广泛的应用,但CMOS图像传感器前景尤其好,预计到2012年,它所占的市场份额将从去年的58%上升到73%。

与大多数电子设备一样,性能和成本将仍然是CMOS和CCD图像传感器面临的主要问题。虽然CMOS图像传感器预计会有更多的应用,但在要求高性能的应用中仍要求使用CCD图像传感器。这不是简单的哪种图像传感器更好的问题。根据具体应用对性能和成本因素的考虑,CMOS或CCD传感器都有可能是最佳的选择。

CMOS图像传感器通常要比CCD图像传感器便宜,因此毫无疑问在许多强调低成本的消费电子产品中都能找到CMOS图像传感器。它的性能一直在不断地提高,现在它已经进入了传统上被CCD图像传感器一统江山的汽车安全应用中,因为它的性能可以让人接受,而且成本又更低。

CCD图像传感器具有更高的性能,可以满足工业和机器视觉检查应用、以及安全系统、科学与军事航空应用的要求。它们也在一些缝隙市场找到了应用,如天文和医疗等专业领域。CCD图像传感器的成本也在不断下降,但性能仍远超CMOS图像传感器。

CMOS图像传感器性能在提高

CMOS图像传感器正在满足由多种参数(如更大带宽和全帧快门能力)决定的许多系统要求。新的设计和制造建议及其实现将推动它们的性能变得更高。

美国NASA的喷气推进实验室(JPL)提出的一种新想法将有效地降低图像传感器的散射串扰。研究人员建议在每个CMOS像素上增加两种植入物,它们可以影响成像器中使用的MOSFET和像素光敏二极管之间的垂直隔离度(图1)。他们认为,这种隔离可以同时优化MOSFET和光敏二极管的性能,消除或显著降低串扰与噪声,同时提高灵敏度、空间分辨率和色彩保真度。

看CMOS/CCD图像传感器的突破性进展

图1:与传统成像器(左)相比,建议的这种CMOS成像器像素器件采用更深的p和n井结构,可以显著降低串扰,提高成像器的总体敏感度和色彩保真性。

在经常出现的困难和不利条件下完成图像同步和操作(特别在机器视觉自动化检查应用中),是CMOS图像传感器设计师面临的很大挑战。业界传统上依靠利用行间传送技术的CCD图像传感器来实现高速快门,以获得清晰的图像。

最近取得的CMOS图像传感器进步已经使这种传感器能够成功进入机器视觉应用中。凭借并行输出、窗口调整和片上集成等优势,一些CMOS图像传感器现在已经能够与某些机器视觉应用中使用的CCD图像传感器相媲美。

例如,Cmosis公司的CMOS图像传感器就具备全帧快门功能。由于采用了管道式全帧快门像素技术,这种成像系统可以在数据读取过程中捕捉下一个帧。它的原理是在图像传感器的每个像素中集成一个存储器节点,在图像捕捉步骤完成后信号将被传送到这个节点。

存储节点具有特别低的寄生光敏感性。每个像素读出时都具有很低的噪声和很宽的动态范围。Cmosis公司还开发出了安装在传感器像素列中的快速ADC。

Dalsa公司也开发出了具有高速快门功能的行间传送CMOS图像传感器。这些传感器可以提供许多机器视觉应用所要求的敏感度、信号容量、噪声性能和动态范围。

Photonfocus公司在其A1312 CMOS图像传感器采用了自己的LinLog专利技术,可实现快速快门和高达120dB的宽动态范围。该传感器具有1312×1028像素分辨率,每个像素尺寸是8×8μm,在最高分辨率下的工作速度可达110帧/秒。

随着CMOS图像传感器像素尺寸的不断缩小,维持图像传感器的性能和图像质量变得越来越困难。背面照射技术是其中的一种解决方案。通过与台积电(TSMC)公司的合作,OmniVision公司相信它已经用OmniBSI方法找到了成功的秘诀(图2)。OmniVision现在可以用1.4μm工艺为手机生产800万像素的CMOS图像传感器。

看CMOS/CCD图像传感器的突破性进展

图2:与传统的前面照射方法(左)相比,背面照射(右)CMOS成像器像素可以提供更高的填充因子,因而能提高低亮度条件下的灵敏度。这种技术已被用于OmniVision公司的OmniBSI工艺。

Sony公司在背面照射技术方面也取得了成功。该公司已经用1.75μm工艺生产出了手机、数码相机和摄像机用的500万像素CMOS图像传感器。ST公司则通过与法国CEA Leti和Tracit Technologies公司的合作,成功展示了利用背面照射技术在1.45工艺上制造300万像素CMOS图像传感器的可行性。

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CCD? 背面照射技术? 图像传感器? CMOS?

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