六大特點(diǎn)助CMOS圖像傳感器席卷醫(yī)療電子應(yīng)用
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從CCD到CMOS：大勢(shì)所趨
在過(guò)去三十年左右的時(shí)間里，CCD技術(shù)一直被用于圖像轉(zhuǎn)換。CCD是一種成熟的技術(shù)，能夠在低噪聲的前提下提供優(yōu)質(zhì)圖像，作為電荷耦合器件在像素間完成圖像數(shù)據(jù)的串行傳輸。為了達(dá)到這個(gè)目的，CCD需要數(shù)種工作電壓、外部時(shí)鐘發(fā)生器以及高級(jí)驅(qū)動(dòng)力和分析電子元件，這些都對(duì)空間和電能消耗有很高的要求。因此，此類圖像傳感器在性能特性以及使用的靈活性等方面已不能完全滿足當(dāng)今市場(chǎng)的系統(tǒng)需求。在這種情況下，從CCD圖像傳感器到CMOS區(qū)域傳感器的改朝換代已在所難免。
CMOS傳感器集各種市場(chǎng)最急需功能于一身：
系統(tǒng)集成度更高
動(dòng)力要求較低
圖像抓取功能更為靈活
界面智能化程度更高
動(dòng)態(tài)范圍更大
感光度更高
更高的系統(tǒng)集成度
隨著數(shù)字融合技術(shù)（即將數(shù)種此前彼此獨(dú)立的功能，如一臺(tái)小型設(shè)備的圖像抓取、圖像處理以及無(wú)線通訊等功能，整合在一起）的發(fā)展，市場(chǎng)上對(duì)具備自主特性（至少是部分具備自主特性）的子系統(tǒng)的需求越來(lái)越多，這種子系統(tǒng)能夠在一套產(chǎn)品中提供盡可能多的功能單元。舉例來(lái)說(shuō)，在專業(yè)測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，配有具靈活性特點(diǎn)的數(shù)碼相機(jī)、PDA用戶界面以及WLAN（無(wú)線局域網(wǎng)）連接的便攜式檢測(cè)設(shè)備就能夠非常有效地?cái)U(kuò)展光學(xué)檢測(cè)和監(jiān)控應(yīng)用的范圍。醫(yī)學(xué)圖像處理是另外一個(gè)圖像傳感器傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域，其應(yīng)用包括大格式X射線和各種類型的內(nèi)窺鏡檢查，以及符合衛(wèi)生要求的一次性可吞咽“藥丸相機(jī)”。CMOS技術(shù)為這個(gè)領(lǐng)域提供了功能強(qiáng)大的實(shí)施平臺(tái)：CCD圖像傳感器仍然需要其他技術(shù)提供外部邏輯以完成控制和模/數(shù)轉(zhuǎn)換功能，CMOS相機(jī)芯片則能夠以一種技術(shù)集圖像傳感器、控制、轉(zhuǎn)換、分析邏輯以及HF發(fā)射器于一身，并在同一片硅片上實(shí)現(xiàn)上述所有功能。系統(tǒng)功能的進(jìn)一步集成使自主光電傳感器系統(tǒng)的出現(xiàn)成為可能。目前，這種技術(shù)的實(shí)施能否成功主要取決于其使用范圍以及開(kāi)發(fā)成本和單位產(chǎn)量等基本經(jīng)濟(jì)因素。
較低的電源要求
對(duì)于具備成本效益的便攜式設(shè)備來(lái)說(shuō)，只有當(dāng)其部件或子系統(tǒng)的電源供應(yīng)要求較低時(shí)，設(shè)備的操作才能不受主網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的制約。CMOS技術(shù)在這一點(diǎn)上占據(jù)了明顯優(yōu)勢(shì)：因?yàn)?strong>CMOS圖像傳感器專為電壓較低的個(gè)人供電電源（約為3.3V至2.5V）設(shè)計(jì)，而大多數(shù)CCD芯片需要多種較高電壓供應(yīng)，如12V等。要滿足這種高電壓要求，必須首先由可耗散變壓器完成發(fā)電，這就需要占據(jù)寶貴的電路板空間。如果將控制和系統(tǒng)功能集成在CMOS傳感器中，則可免除與其他半導(dǎo)體元件進(jìn)行外部連接的電纜，同時(shí)省卻了耗電巨大的設(shè)備，系統(tǒng)的總體性能將得到改善。與通過(guò)電路板或底板與外部進(jìn)行通訊相比，芯片內(nèi)通訊只需很小的電能。這一優(yōu)點(diǎn)還產(chǎn)生了一個(gè)令人驚喜的副作用：CMOS圖像傳感器噪聲水平得到了降低。另一方面，由于模/數(shù)轉(zhuǎn)換器集成在圖像傳感器內(nèi)部，使易產(chǎn)生干擾的模擬信號(hào)線無(wú)須被發(fā)射至外部，使這種產(chǎn)品的抗干擾性能得到改善。與模擬信號(hào)相反，數(shù)字圖像輸出信號(hào)幫助系統(tǒng)開(kāi)發(fā)者輕松完成功能強(qiáng)大的CMOS相機(jī)的集成，而無(wú)需關(guān)鍵頂部設(shè)備，使其在惡劣環(huán)境下也能正常使用。由于冷卻的可能性很小，設(shè)備（藥丸相機(jī)）所耗電能有限，其溫度則需要與體溫相適應(yīng)，因此藥丸相機(jī)以及內(nèi)窺鏡等醫(yī)藥和人體內(nèi)部應(yīng)用僅需較低的電能。
更靈活的圖像抓取功能
在醫(yī)藥和工業(yè)應(yīng)用中，通常只需要抓取圖像的某些特定細(xì)節(jié)，但由于CCD圖像傳感器使用串行電荷傳輸，這種傳感器讀取的內(nèi)容包括整個(gè)圖像——即全畫幅內(nèi)容，而所需細(xì)節(jié)必需在抓取完成后使用獨(dú)立的分析電路從整個(gè)圖像中提取。
與此相反，CMOS圖像傳感器的結(jié)構(gòu)與存儲(chǔ)陣列類似，這樣就可以通過(guò)二次取樣或選擇部分圖像區(qū)域（取窗）完成個(gè)體像素或像素群的尋址和讀取操作。
二次取樣可提供分辨率較低（但為幀速率的數(shù)倍）的規(guī)則取樣圖案，而取窗功能則可以選取圖像的有用區(qū)域。窗角坐標(biāo)通過(guò)串行或并行接口傳輸至CMOS傳感器，并在傳感器內(nèi)接受自動(dòng)處理以控制讀取操作。這也是將更多邏輯集成至CMOS傳感器的典型情況。由于CCD傳感器不適合邏輯電路，因此上述操作對(duì)于CCD傳感器來(lái)說(shuō)是不可能實(shí)現(xiàn)的。
更高的動(dòng)態(tài)范圍
在工業(yè)和醫(yī)藥應(yīng)用中，許多有用的場(chǎng)景都在逆光條件下發(fā)生，這就要求傳感器擁有較高的動(dòng)態(tài)范圍。如果使用線性傳感器，其動(dòng)態(tài)范圍恰好與信噪比（SNR）相應(yīng)，而CMOS圖像傳感器的多斜率操作能夠使動(dòng)態(tài)范圍得到大幅增加，同時(shí)信噪比則保持不變，光強(qiáng)度和輸出電壓之間的分段線性關(guān)系能夠清楚地顯示出這一結(jié)果。整個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程帶上了明顯的非線性特點(diǎn)。
這樣，場(chǎng)景的暗處就能夠通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器可觀的轉(zhuǎn)換范圍得到擴(kuò)展：轉(zhuǎn)換特性曲線在此處最陡，以確保高感光度與高對(duì)比度（見(jiàn)圖1）。在特性曲線上部水準(zhǔn)以外的部分，亮部場(chǎng)景的部分過(guò)度曝光維度也可得到充分捕捉。這樣，我們就有可能得到動(dòng)態(tài)范圍高達(dá)100dB、模數(shù)轉(zhuǎn)換范圍為10位的場(chǎng)景圖像。
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圖1. CMOS圖像傳感器的結(jié)構(gòu)與存儲(chǔ)器類似：部分圖像能夠以高幀速率被讀取 |
感光度得到提高
圖像傳感器正朝著感光度更高、曝光時(shí)間更短以及像素尺寸更小的趨勢(shì)向前發(fā)展。因此，圖像傳感器必需充分發(fā)揮能夠接收到的少量光子的作用。填充因子與量子效應(yīng)的乘積是衡量像素感光度的關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)，量子效應(yīng)能夠反映出光子撞擊產(chǎn)生的電子數(shù)目。幾何填充因子即感光像素面積所占的百分比——與CCD傳感器不同，CMOS像素并非所有部分都具備“看”的功能。這樣，獲取高填充因子數(shù)就成為CMOS技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵目標(biāo)之一。
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圖2. 多斜率轉(zhuǎn)換確保高動(dòng)態(tài)范圍的獲取 |
高填充因子能夠使大部分在標(biāo)準(zhǔn)CMOS處理中為無(wú)源/非感光的硅片表面轉(zhuǎn)變?yōu)楦泄鈪^(qū)域。由于光電二極管也可檢測(cè)出由整個(gè)像素表面下的外延層產(chǎn)生的光電子，因此小型像素可以對(duì)以任意角度入射且被低水平暗電流區(qū)分開(kāi)的光進(jìn)行處理（見(jiàn)圖2和圖3）。
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圖3. 由多EPI層聚集的光電子可以將感光度提高至近紅外（NIR）范圍 |
發(fā)展趨勢(shì)
傳感器面積縮小代表著一種發(fā)展趨勢(shì)：分辨率為512 x 512像素（每像素尺寸為6m x 6m）的客戶定制設(shè)計(jì)彩色圖像傳感器BOCA就是這種發(fā)展趨勢(shì)的典型例子。BOCA傳感器用于STM Medizintechnik公司的新型一次性結(jié)腸鏡產(chǎn)品，這種結(jié)腸鏡可以對(duì)第二大最常見(jiàn)的癌癥――結(jié)腸癌進(jìn)行診斷。集成時(shí)鐘發(fā)生器與FPN校正使這種傳感器的結(jié)構(gòu)非常緊湊，從而使結(jié)腸鏡的清潔度和用戶友好程度都得到提高。
極大型傳感器面積代表著另外一種發(fā)展趨勢(shì)。這類傳感器可用作操作過(guò)程復(fù)雜的傳統(tǒng)X射線膠片的替代品。利用所謂的拼接技術(shù)，CMOS傳感器能夠以極富成本效益的方式使用8英寸大小的晶圓得到生產(chǎn)，未來(lái)還可使用12英寸晶圓。這一技術(shù)大大加快了現(xiàn)代醫(yī)學(xué)圖像處理的速度，而后者至今還在使用由無(wú)定形硅制造的光電二極管陣列。
傳感器的分辨率也在不斷提高之中。舉例來(lái)說(shuō)，660萬(wàn)像素傳感器IBIS4－6600就已作為自動(dòng)讀取設(shè)備成功地為視弱患者提供了DIN A4頁(yè)面分辨率。這種傳感器是擁有模擬圖像抓取以及片上數(shù)字化與信號(hào)處理等功能的完整子系統(tǒng)，能夠在2.5V供電電壓下工作。其2210 x 3002像素傳感器陣列以專利的三晶體管N-well像素技術(shù)為基礎(chǔ)，后者的填充因子尺寸達(dá)到3.5 x 3.5m。并行輸出轉(zhuǎn)換器的速率為4000萬(wàn)樣品/秒，其10位分辨率每秒可傳送5個(gè)全幅畫面。為與標(biāo)準(zhǔn)視頻編碼器連接，圖像傳感器在傳送10位寬圖像數(shù)據(jù)的同時(shí)還可傳送圖像同步信號(hào)、線和像素。
分辨率為3048 x 4560像素的新型IBIS-14000-M圖像傳感器系由賽普拉斯公司與總部設(shè)在Erfurt的X-Fab共同開(kāi)發(fā)，其分辨率可達(dá)1385像素。像素大小為8m * 8m，傳感器面積約為全35mm格式。四道模擬輸出的幀重復(fù)率大于3幀/秒。這種產(chǎn)品支持所有可編程取窗及二次取樣運(yùn)行模式，其光學(xué)動(dòng)態(tài)范圍被設(shè)定為65dB。目前，數(shù)家公司正以這種傳感器為基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)各種生物測(cè)量應(yīng)用。
越來(lái)越大的光譜范圍正屈服于CMOS圖像傳感器的征服之下。隨著經(jīng)改進(jìn)的CMOS技術(shù)不斷涌現(xiàn)，傳感器感光度已經(jīng)可以擴(kuò)展至近紅外（NIR）范圍。正是（多）EPI層以及密度不斷增加的P型硅片使這一切成為現(xiàn)實(shí)。
前景
CMOS圖像傳感器的市場(chǎng)正在積極發(fā)展之中，必將逐步成長(zhǎng)為大型市場(chǎng)。通過(guò)高分辨率、高幀速率、高感光度、低成本的多標(biāo)準(zhǔn)解決方案，CMOS傳感器正在越來(lái)越多的應(yīng)用領(lǐng)域中留下自己的足跡。不過(guò)在這一成就背后，更重要的原因在于，客戶定制應(yīng)用的開(kāi)發(fā)推動(dòng)了特定價(jià)值與系統(tǒng)集成的發(fā)展，從而使CMOS技術(shù)闊步向前。
表格：賽普拉斯公司（FillFactory）生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)CMOS圖像傳感器以及部分客戶定制CMOS圖像傳感器家族 |
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評(píng)論