最新一代CMOS和CCD图像传感器

　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，消除或显着降低串扰与噪声，同时提高灵敏度、空间分辨率和色彩保真度。

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，可以显着降低串扰，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。

　　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。

　　图像质量在改善

　　更高性能CMOS图像传感器渗透进入消费电子市场的一个明证是ST的首个0.25英寸光学格式315万像素CMOS图像传感器。据ST介绍，VD6853和VD6803图像传感器采用1.75μm工艺制造，可以提供杰出的图像质量，对焦距离可短至15厘米（图3）。

图3:意法微电子公司的315万像素VD6853和VD6803 CMOS图像传感器可以为手机提供高质量的图像，并且景深可浅至15厘米。