圖像傳感器的發(fā)展及應(yīng)用

可視信息日趨重要，隨著多媒體系統(tǒng)的發(fā)展，圖像傳感器成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。眼睛是人類和動(dòng)物的圖像接收器，而圖像傳感器則是電子設(shè)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(jī)及掃描儀之類的產(chǎn)品中；面型圖像傳感器則廣泛地用于攝錄像機(jī)，安全保衛(wèi)照相機(jī)、數(shù)碼相機(jī)及計(jì)算機(jī)照相機(jī)，并開始用于傳統(tǒng)上的非視像產(chǎn)品，如移動(dòng)電話、個(gè)人數(shù)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(yōu)良圖像質(zhì)量的設(shè)備都采用CCD圖像傳感器，而注重功耗和成本的產(chǎn)品則選擇CMOS圖像傳感器。但新的技術(shù)正在克服每種器體固有的弱點(diǎn)，同時(shí)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(lián)網(wǎng)及便攜式電子設(shè)備的發(fā)展而發(fā)展。比如，圖像傳感器在移動(dòng)電話以及攝錄像機(jī)和數(shù)碼相機(jī)方面都面對(duì)著一個(gè)急速成長的市場(chǎng)。歐洲、韓國及日本制造商卻關(guān)注著帶內(nèi)置照相機(jī)的移動(dòng)電話，它將給圖像接收設(shè)備創(chuàng)造一個(gè)不斷成長的市場(chǎng)。






圖1 不同傳感器的結(jié)構(gòu)


圖2  CCD及CMOS圖像傳感器應(yīng)用市場(chǎng)的發(fā)展


電荷耦合型(CCD)
圖像傳感器
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(gòu)成。光電二極管把光轉(zhuǎn)換成電荷，再經(jīng)轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)送入串行移位寄存器，由它進(jìn)行未加工原始圖像的處理。此外，該系統(tǒng)還把電荷迅速傳送進(jìn)儲(chǔ)能器，供橫向寄存器進(jìn)行電荷的連續(xù)輸出。三洋電子及Philips消費(fèi)電子公司是兩家FIT系統(tǒng)應(yīng)用到CCD圖像傳感器的制造商。
通常光電二級(jí)管均勻排列成矩形點(diǎn)陣，但某些制造商已開發(fā)出了不同的設(shè)計(jì)。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(fā)了Super CCD蜂房傳感器技術(shù)。這種結(jié)構(gòu)不是傳統(tǒng)的縱橫向排列，而采用了錯(cuò)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(diǎn)。富士膠卷在其數(shù)碼相機(jī)上采用這一結(jié)構(gòu)，獲得了優(yōu)良的圖像質(zhì)量。今年初公司推出了供數(shù)碼相機(jī)用的質(zhì)量更高的超級(jí)CCD蜂房傳感器，獨(dú)具橫向與縱向像素的混合功能，并有信號(hào)處理能力，使靈敏度達(dá)到ISO1600級(jí)。因此，該傳感器能以30fps速率攝錄VGA移動(dòng)圖像，還能在各種場(chǎng)合包括暗處捕捉圖像。
采用FIT圖像傳感器的三洋公司，設(shè)計(jì)了CCD傳感器用芯片級(jí)封裝(CSP)，是最早采用CSP的產(chǎn)品之一。它在2片玻璃板之間夾著CCD基片，并在后續(xù)級(jí)上備有信號(hào)處理LSI(大規(guī)模IC)。攝錄時(shí)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(dāng)。公司正把這種CCD傳感器用到電池工作的移動(dòng)電話中。公司還提供傳輸速度15fps以下5mW的單獨(dú)CCD傳感器樣品。

CMOS圖像傳感器
CMOS傳感器采用與存儲(chǔ)器及邏輯IC同樣的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)工藝。傳統(tǒng)上，CMOS傳感器的靈敏度較低，在燈光暗淡場(chǎng)合轉(zhuǎn)發(fā)的圖像質(zhì)量不佳。因此，即使CMOS傳感器的靈敏度較低，且可運(yùn)用單一電源，但在大批量產(chǎn)品中的應(yīng)用依然落在了CCD圖像傳感器的后面。
今天情況正在發(fā)生變化。CMOS圖像傳感器除了在移動(dòng)終端及電子手持或圖像設(shè)備應(yīng)用時(shí)具有低功耗優(yōu)勢(shì)，之外，其靈敏度也取得了新的進(jìn)展。移動(dòng)電話極大的市場(chǎng)潛力，促使許多公司跨入CMOS圖像傳感器領(lǐng)域。夏普是首先進(jìn)入的公司之一，它為日本移動(dòng)服務(wù)提供商J-Phone開發(fā)了一種內(nèi)置照相機(jī)的移動(dòng)電話機(jī)。該產(chǎn)品獲得巨大成功，為其他同類制造商鋪平了發(fā)展道路。
器件的圖像質(zhì)量通過工藝與電路技術(shù)進(jìn)步而大獲改善，在最低照相機(jī)亮度方面的靈敏度尤有改進(jìn)。東芝公司年初推出了一種VGA級(jí)傳感器TCM5063T和CIF傳感器TCM5073T，在黑暗處攝錄較之普通產(chǎn)品，其輸出電壓只及三分之一，靈敏度高一倍，最低照明亮度只要3勒克斯。它采用的是新開發(fā)的低漏泄電源光電二極管。
像CCD傳感器一樣，封裝技術(shù)是CMOS傳感器面臨的一大問題，問題在于如何縮小包括信號(hào)處理LSI在內(nèi)的照相機(jī)模塊尺寸。富士通公司為此開發(fā)成功一種CMOS傳感器模塊尺寸為7.80