松下開(kāi)發(fā)高性能有機(jī)薄膜CMOS傳感器，目標(biāo)是超過(guò)背照式

　　松下開(kāi)發(fā)出了動(dòng)態(tài)范圍高達(dá)123dB、是該公司原產(chǎn)品的100倍的圖像傳感器，并在“ISSCC 2016”(1月31日～2月4日在美國(guó)舊金山舉辦)上發(fā)表。用于汽車時(shí)，可使在前大燈照射下處于逆光中的人及車輛不泛白地被拍攝到。(圖1)。這是通過(guò)在該公司正在開(kāi)發(fā)的有機(jī)薄膜型CMOS圖像傳感器上配備“1像素2單元構(gòu)成技術(shù)”，以及可改善拍攝黑暗物體時(shí)的S/N(信噪比)的電路技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。

　　有機(jī)薄膜型CMOS圖像傳感器利用具有光電轉(zhuǎn)換功能的有機(jī)薄膜來(lái)構(gòu)成像素(圖2)。不同于在數(shù)碼相機(jī)和數(shù)字視頻市場(chǎng)上占主流的背面照射(BSI)型傳感器，在芯片的布線層一側(cè)形成了一層有機(jī)薄膜。背照式傳感器通過(guò)在布線層內(nèi)側(cè)配置將光轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的光電二極管，來(lái)防止布線層阻礙光的入射。

　　而此次的有機(jī)薄膜型圖像傳感器在布線層的前面覆蓋有機(jī)薄膜。光的導(dǎo)入面積比背照式光電二極管要大，因此能導(dǎo)入更多的光，容易實(shí)現(xiàn)高感光度。另外，由于有機(jī)薄膜型圖像傳感器很薄，因此，即使以±60度的大入射角導(dǎo)入光，也不會(huì)漏到相鄰單元。背照式傳感器在不漏光的前提下可導(dǎo)入光的入射角為±30～40度。

　　此次，松下為了進(jìn)一步改善有機(jī)薄膜型圖像傳感器的性能，通過(guò)用高感光度和低感光度兩種單元來(lái)構(gòu)成1個(gè)像素的方法，擴(kuò)大了動(dòng)態(tài)范圍(圖3)。高感光度單元增大了開(kāi)口部分，低感光度單元減小了開(kāi)口部分，同時(shí)增大了容量，即使強(qiáng)光照射，積累的電荷也不會(huì)飽和。使兩種單元的面積相差10倍、積累電荷容量相差10倍，便使動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)大到了原來(lái)的100倍。

　　充分利用背照式?jīng)]有的特點(diǎn)

　　動(dòng)態(tài)范圍的擴(kuò)大是利用了背照式傳感器沒(méi)有的、有機(jī)薄膜型傳感器的特點(diǎn)才實(shí)現(xiàn)的。在有機(jī)薄膜型圖像傳感器中，有機(jī)薄膜承擔(dān)光電轉(zhuǎn)換功能，電荷積累通過(guò)布線設(shè)在其他層。因此能夠擴(kuò)大有機(jī)薄膜、減小相應(yīng)的電荷積累部分等。背照式傳感器的光電二極管承擔(dān)著光電轉(zhuǎn)換和電荷積累兩種功能，因此，為了防止在強(qiáng)光下電荷飽和而增大電荷積累部分時(shí)，開(kāi)口部分也會(huì)增大。

　　要想擴(kuò)大動(dòng)態(tài)范圍，還有在1幀內(nèi)改變曝光時(shí)間多次成像然后合成的方法，而此次的方法配備了通過(guò)控制有機(jī)薄膜的開(kāi)關(guān)、1次成像的全局快門功能，因此，即使拍攝高速移動(dòng)物體也不會(huì)產(chǎn)生抖動(dòng)(圖4)。松下認(rèn)為，從行駛中的汽車上拍攝車外時(shí)，可以發(fā)揮這種方法的優(yōu)勢(shì)。另外，對(duì)于隨著信號(hào)和照明器具的LED化而逐漸成為課題的“LED閃爍”問(wèn)題，也可以通過(guò)延長(zhǎng)1幀內(nèi)的拍攝時(shí)間(曝光時(shí)間)來(lái)避免(圖5)。

　　將噪聲降至1.6電子

　　作為拍攝黑暗物體時(shí)抑制噪聲的電路技術(shù)，松下開(kāi)發(fā)出了電容耦合式噪聲消除技術(shù)(圖6)。圖像傳感器在各幀的拍攝開(kāi)始前要重置并清除積累在讀取電路中的電荷，再測(cè)量相當(dāng)于新入射光的電荷量。此次開(kāi)發(fā)的電路技術(shù)將進(jìn)行了這種重置處理后殘留的電荷量降到了最多1.6電子的程度。

　　此次調(diào)整了用來(lái)測(cè)量電荷量的放大電路的結(jié)構(gòu)。電荷積累部分會(huì)因熱噪聲而產(chǎn)生波動(dòng)，過(guò)去也是通過(guò)負(fù)反饋電路來(lái)消除波動(dòng)。不過(guò)，過(guò)去殘留的電荷量最多為25電子。此次通過(guò)追加電容器調(diào)整了決定負(fù)反饋電路增益的參數(shù)。這一特點(diǎn)有利于提高感光度，因此還具有抑制高速拍攝時(shí)的抖動(dòng)的效果。

　　松下希望利用有機(jī)薄膜型傳感器可獨(dú)立控制光電轉(zhuǎn)換和電荷積累這一背面照射型沒(méi)有的特點(diǎn)，將有機(jī)薄膜型傳感器應(yīng)用于汽車和機(jī)器人視覺(jué)領(lǐng)域。