松下開發(fā)高性能有機薄膜CMOS傳感器，目標(biāo)是超過背照式

　　松下開發(fā)出了動態(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日在美國舊金山舉辦)上發(fā)表。用于汽車時，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)。這是通過在該公司正在開發(fā)的有機薄膜型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的S/N(信噪比)的電路技術(shù)實現(xiàn)的。

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

　　而此次的有機薄膜型圖像傳感器在布線層的前面覆蓋有機薄膜。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，容易實現(xiàn)高感光度。另外，由于有機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)一步改善有機薄膜型圖像傳感器的性能，通過用高感光度和低感光度兩種單元來構(gòu)成1個像素的方法，擴大了動態(tài)范圍(圖3)。高感光度單元增大了開口部分，低感光度單元減小了開口部分，同時增大了容量，即使強光照射，積累的電荷也不會飽和。使兩種單元的面積相差10倍、積累電荷容量相差10倍，便使動態(tài)范圍擴大到了原來的100倍。

　　充分利用背照式?jīng)]有的特點

　　動態(tài)范圍的擴大是利用了背照式傳感器沒有的、有機薄膜型傳感器的特點才實現(xiàn)的。在有機薄膜型圖像傳感器中，有機薄膜承擔(dān)光電轉(zhuǎn)換功能，電荷積累通過布線設(shè)在其他層。因此能夠擴大有機薄膜、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，為了防止在強光下電荷飽和而增大電荷積累部分時，開口部分也會增大。

　　要想擴大動態(tài)范圍，還有在1幀內(nèi)改變曝光時間多次成像然后合成的方法，而此次的方法配備了通過控制有機薄膜的開關(guān)、1次成像的全局快門功能，因此，即使拍攝高速移動物體也不會產(chǎn)生抖動(圖4)。松下認(rèn)為，從行駛中的汽車上拍攝車外時，可以發(fā)揮這種方法的優(yōu)勢。另外，對于隨著信號和照明器具的LED化而逐漸成為課題的“LED閃爍”問題，也可以通過延長1幀內(nèi)的拍攝時間(曝光時間)來避免(圖5)。

　　將噪聲降至1.6電子

　　作為拍攝黑暗物體時抑制噪聲的電路技術(shù)，松下開發(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始前要重置并清除積累在讀取電路中的電荷，再測量相當(dāng)于新入射光的電荷量。此次開發(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)整了用來測量電荷量的放大電路的結(jié)構(gòu)。電荷積累部分會因熱噪聲而產(chǎn)生波動，過去也是通過負(fù)反饋電路來消除波動。不過，過去殘留的電荷量最多為25電子。此次通過追加電容器調(diào)整了決定負(fù)反饋電路增益的參數(shù)。這一特點有利于提高感光度，因此還具有抑制高速拍攝時的抖動的效果。

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