摘要：主要概述SuperCCD、CMOS圖像傳感器、C3D、APDIS、ARAMIS、FoveonX3全色CMOS圖像傳感器、VMIS、薄膜ASIC圖像傳感器、SeeMOS圖像傳感器等新穎固體圖像傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀。此外，簡單介紹其應(yīng)用市場(chǎng)和主要技術(shù)。

　　1、引言
  
    固體圖像傳感器屬于光電子產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的光電子成像器件。隨著數(shù)碼技術(shù)、半導(dǎo)體器件制造技術(shù)、光電子技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，目前市場(chǎng)和業(yè)界都面臨跨越各平臺(tái)的視訊、影音、通訊大整合時(shí)代的到來，勾畫未來人類社會(huì)的美景。以其在日常生活中的應(yīng)用而言，無疑要屬數(shù)碼相機(jī)、攝錄一體機(jī)和攝像機(jī)產(chǎn)品，其發(fā)展速度日新月異。短短幾年，數(shù)碼相機(jī)就由幾十萬像素發(fā)展到500萬像素、600萬像素甚至更高。不僅在發(fā)達(dá)的歐美國家數(shù)碼相機(jī)占有很大的市場(chǎng)，就是在發(fā)展中的中國，數(shù)碼相機(jī)的市場(chǎng)也在以驚人的速度增長，因此，其關(guān)鍵器件—固體圖像傳感器已成為當(dāng)前和未來業(yè)界關(guān)注的對(duì)象，吸引著眾多廠商。以器件類別區(qū)分，固體圖像傳感器主要分為CCD、CMOS及CIS三種。有關(guān)CCD、CMOS及CIS的發(fā)展?fàn)顩r、典型結(jié)構(gòu)、性能參數(shù)、工作原理及其應(yīng)用等。這里，主要簡單介紹最近幾年發(fā)展起來的固體圖像傳感器的最新發(fā)展現(xiàn)狀、應(yīng)用市場(chǎng)和主要技術(shù)。

　　2、固體圖像傳感器的現(xiàn)狀

    2.1 超級(jí)CCD
    在傳統(tǒng)CCD中，光電二極管是矩形的，其尺寸受到限制。制造商們盡管不斷地增加像素以提高圖像質(zhì)量，同時(shí)縮小像素和光電二極管面積，但是，光吸收的低效率已成為提高感光度、信噪比和動(dòng)態(tài)范圍的另一個(gè)障礙。
    為了尋求更好的解決方法，日本富士公司的科研人員對(duì)人類視覺進(jìn)行了全面的研究，他們得到一個(gè)結(jié)論：像信息的空間頻率和功率都聚集在水平和垂直軸上，最低的功率在45°對(duì)角線上。根據(jù)這一理論研究結(jié)果，超級(jí)（Super）CCD[6]的像素都按45°角排列，形成蜂窩狀結(jié)構(gòu)?？刂菩盘?hào)通道被取消，為光電二極管留出更多的空間。光電二極管是八角形的，非常接近微透鏡的圓形，因此，可以更有效地吸收光。
    SuperCCD把無助于影像記錄的空間減少到最低限度，感光效率、感光度和信噪比得到提高，動(dòng)態(tài)范圍得以擴(kuò)大。
    SuperCCD的讀出采用水平跳躍讀出方式，雖然跳躍讀出像素會(huì)大大降低視頻圖像質(zhì)量，但是，由于豎直線條讀出速度太慢，傳統(tǒng)CCD還必須在圖像輸出時(shí)采用跳躍讀出方式。而且，傳統(tǒng)CCD水平方向的像素只有兩種顏色，必須讀出兩行數(shù)據(jù)才能形成彩色。SuperCCD的每行像素包含紅、綠、藍(lán)（R、G、B）三種彩色，除了以1/2或其他比率進(jìn)行垂直跳躍讀出外，還可以進(jìn)行水平1/3跳躍讀出，可以獲得高質(zhì)量的視頻輸出。與傳統(tǒng)CCD不同的是SuperCCD的電荷通道更加寬闊，能夠高速傳輸數(shù)據(jù)，因此，只要加簡單的電子快門控制，使得它具有進(jìn)行快速精確連續(xù)拍攝的潛能，所有像素的數(shù)據(jù)即可一次讀出。自1999年第一代SuperCCD問世后，到2003年初已發(fā)展到第四代SuperCCD，用該器件開發(fā)的數(shù)碼相機(jī)的攝像效果已達(dá)到人眼的視覺效果。

    2.2 CMOS圖像傳感器
    CMOS圖像傳感器的研究始于20世紀(jì)60年代末，由于受當(dāng)時(shí)工藝技術(shù)的限制，直到90年代初才發(fā)展起來，至今已研制出三大類CMOS圖像傳感器，即CMOS無源像素傳感器（簡稱CMOSPPS）、CMOS有源像素傳感器（簡稱CMOSAPS）和CMOS數(shù)字像素傳感器（簡稱CMOSDPS）。在此基礎(chǔ)上又問世了CMOS視覺傳感器、CMOS應(yīng)力傳感器、對(duì)數(shù)極性CMOS傳感器、CMOS視網(wǎng)膜傳感器、CMOS凹型傳感器、對(duì)數(shù)變換CMOS圖像傳感器、軌對(duì)軌CMOS有源像素傳感器、單斜率模式CMOS圖像傳感器和CMOS指紋圖像傳感器、FoveonX3全色CMOS圖像傳感器、VMISCMOS圖像傳感器等。
    CMOS圖像傳感器具有多種讀出模式。整個(gè)陣列逐行掃描讀出是一種普通的讀出模式，這種讀出方式和CCD的讀出方式相似。窗口讀出模式是一種針對(duì)窗口內(nèi)像素信息進(jìn)行局部讀出的模式，這種讀出模式提高了讀出效率。跳躍式讀出模式同SuperCCD一樣，以降低分辨率為代價(jià)提高讀出速率，采用每隔一個(gè)或多個(gè)像素讀出的模式。

    2.3 CMOS圖像傳感器的新技術(shù)—C3D
    C3D（CMOSColorCaptiureDevice）是新一代半導(dǎo)體成像技術(shù)，它不僅提高了像素設(shè)計(jì)技術(shù)[9]，也改進(jìn)了生產(chǎn)工藝。采用0.25μmCMOS工藝生產(chǎn)的這種CMOS圖像傳感器，可以在保全性能的前提下增加晶體管的數(shù)量和填充系數(shù)。除了增加像素設(shè)計(jì)的選擇方案外，還可實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜的功能和更低的功耗。在速度方面也有很大的優(yōu)勢(shì)。
    對(duì)于設(shè)計(jì)人員而言，為了最大限度地提高產(chǎn)品質(zhì)量，設(shè)計(jì)時(shí)合適的權(quán)衡取舍是至關(guān)重要的。就圖像傳感器而言，量子效率是非常重要的，但暗電流和串?dāng)_同樣不可忽視。C3D的核心技術(shù)對(duì)上述的CMOS圖像傳感器所存在的固定圖像噪聲、像素間的串?dāng)_及暗電流等缺陷均有所改善。此外，還降低了對(duì)支持電路的依賴程度。
    C3D技術(shù)的最大特點(diǎn)就是像素響應(yīng)的均勻性。C3D技術(shù)重新定義了成像器的性能（把系統(tǒng)的整體性能包括在內(nèi)），提高了CMOS圖像傳感器在均勻性和暗電流方面的標(biāo)準(zhǔn)性能。C3D技術(shù)是針對(duì)具體應(yīng)用來設(shè)計(jì)圖像傳感器的，因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可借助它來完成片上功能集成，根據(jù)現(xiàn)有的系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)的整體性能。采用C3D技術(shù)的另一個(gè)設(shè)計(jì)上的好處是利用片上集成陣列的處理能力大幅度減少后續(xù)的圖像處理器。

    2.4 APD圖像傳感器
    瑞士聯(lián)邦技術(shù)學(xué)院電子學(xué)實(shí)驗(yàn)室的AliceBiber和PeterSeitz等人采用1.2μm標(biāo)準(zhǔn)Bi-CMOS工藝研制成功雪崩光電二極管圖像傳感器（APDIS），每個(gè)像素由雪崩光電二極管（APD）、高壓穩(wěn)定電路和圖像讀出電子部件組成。與常規(guī)CMOS有源像素傳感器比較，集成APD像素現(xiàn)存的反饋電阻器將由反饋電容器代替，放大器的熱噪聲為Vnamp=30nV/Hz1/2，源跟隨器的熱噪聲Vnsf=17nV/Hz1/2,C=200fF時(shí)，復(fù)位噪聲的計(jì)算值為144μV；增益為1和15時(shí)，APD的噪聲（inAPD）分別為3.2×10－33A2/Hz和14.4×10－27A2/Hz。每個(gè)球形結(jié)構(gòu)的APD的外部直徑為48μm，像素?cái)?shù)為12×24，芯片尺寸為2.4mm×2.4mm，總的像素尺寸為154μm×71.5μm。用該器件已組裝成首臺(tái)APD攝像機(jī)，拍攝出清晰的黑白圖像。
    推動(dòng)固體圖像傳感器發(fā)展的原動(dòng)力是數(shù)碼相機(jī)、攝像機(jī)和移動(dòng)電話?，F(xiàn)在，固體圖像傳感器技術(shù)開發(fā)的焦點(diǎn)是從CCD完全轉(zhuǎn)移到CMOS圖像傳感器，CCD和CMOS圖像傳感器的生產(chǎn)預(yù)測(cè)如圖1所示。

　　3、固體圖像傳感器的進(jìn)展

    3.1 CMOS圖像傳感器的新技術(shù)—ARAMIS
    我國臺(tái)灣省的ElecVision公司研制的異步隨機(jī)存取MOS圖像傳感器（簡稱ARAMIS）是新型的平面型CMOS圖像傳感器，在單芯片內(nèi)整合圖像感光陣列、A/D轉(zhuǎn)換電路、數(shù)字接口及其他控制邏輯電路，在3.3V或5V單一電源下工作。ARAMIS結(jié)構(gòu)的CMOS圖像傳感器使數(shù)碼相機(jī)系統(tǒng)可以簡化到圖像傳感器＋微處理器＋存儲(chǔ)器等3個(gè)芯片。為仿真機(jī)械快門而開發(fā)的電子快門，可執(zhí)行片上矩陣測(cè)光模式，不需要多余的外加測(cè)光電路，允許所有像素在同一時(shí)刻曝光。傳統(tǒng)的CMOS圖像傳感器采用行基準(zhǔn)方式的曝光方式，每一行的所有像素在同一時(shí)刻曝光，而不同行上的像素不在同一時(shí)刻曝光，因此，在拍攝快速運(yùn)動(dòng)物體時(shí)會(huì)產(chǎn)生圖像扭曲，而ARAMIS可以很好地解決這一問題。因?yàn)椴捎肁RAMIS技術(shù)的好處之一是可以更精確地再現(xiàn)活動(dòng)目標(biāo)。運(yùn)動(dòng)中的目標(biāo)仍能保持它們的正確形狀。

    3.2 多層感色的X3技術(shù)
    2002年2月11日，美國Foveon公司發(fā)表了全新的圖像傳感器多層感色技術(shù)——具備VPS（可變像素尺寸）的FoveonX3技術(shù)，立即引起業(yè)界的高度關(guān)注。2000年—2003年，F(xiàn)oveon公司采用0.18μmCMOS工藝研制出130×130×3、576×384×3、640×480×3、768×512×3、1152×768×3、575×575×3、1344×1024×3、2048×2048×3、2304×1536×3、1134×756×3、1152×1008×3（最后面的3代表每個(gè)像素有三種色彩）像素的FoveonX3全色CMOS圖像傳感器，該公司獨(dú)特的X3技術(shù)可在一個(gè)像素上同時(shí)獲得紅、綠、藍(lán)三種顏色信號(hào)，其產(chǎn)品主要面向?qū)I(yè)攝影和業(yè)余愛好者等消費(fèi)市場(chǎng)。FoveonX3是全球第一款可以在一個(gè)像素上捕捉全部色彩的圖像傳感器陣列。傳統(tǒng)的光電耦合器件只能感應(yīng)光線強(qiáng)度，不能感應(yīng)色彩信息，需要通過濾色鏡來感應(yīng)色彩信息，我們稱之為Bayer濾鏡。而FoveonX3在一個(gè)像素上通過不同的深度來感應(yīng)色彩，最表面一層感光藍(lán)色、第二層感應(yīng)綠色，第三層感應(yīng)紅色。它是根據(jù)硅對(duì)不同波長光線的吸收效應(yīng)來達(dá)到一個(gè)像素感應(yīng)全部色彩信息，這種圖像傳感器采用VPS技術(shù)，允許支持X3的數(shù)碼相機(jī)捕獲高分辨率靜態(tài)圖像及完全動(dòng)態(tài)視頻。圖像質(zhì)量優(yōu)于35mm膠片及數(shù)碼攝相機(jī)。目前，已經(jīng)有使用這種技術(shù)的全色CMOS圖像傳感器，其產(chǎn)品是“SigmaSD9”數(shù)碼相機(jī)。
    這項(xiàng)革新技術(shù)可以提供更加稅利的圖像，更好的色彩。FoveonX3是第一款通過內(nèi)置硅光電傳感器來檢測(cè)色彩的，對(duì)于傳統(tǒng)半導(dǎo)體感光技術(shù)是很大的突破，發(fā)展前景非常好。

    3.3 VMIS手機(jī)用影像模塊
    電壓調(diào)制圖像傳感器（簡稱VMIS）是Innotech公司正在開發(fā)的新產(chǎn)品。普通的CMOS圖像傳感器，每個(gè)像素要用三塊MOS器件，而VMIS每個(gè)像素只用一塊。這種產(chǎn)品只有約8mm（1/4英寸）大，31萬像素，面積為5.6μm×5.6μm，可大大減少圖像傳感器的尺寸。據(jù)報(bào)道，該芯片不僅圖像質(zhì)量接近CCD，而且功耗也很低。2002年，Innotech公司研制成功VMISCMOS圖像傳感器，像素?cái)?shù)為1360×1024，像素尺寸為4.2μm×4.2μm，飽和輸出信號(hào)為500mV，靈敏度為300mV/lx·s，拖影為－100dB。Innotech公司將開發(fā)出1/4英寸，具有80萬～100萬像素的VMIS。許多廠商都對(duì)VMIS給于厚望，期待它早日應(yīng)市。

    3.4 薄膜ASIC圖像傳感器
    德國西根大學(xué)半導(dǎo)體電子學(xué)研究所采用0.7μmCMOS工藝，PECVD超高真空系統(tǒng)及薄膜專用集成電路（TFA）技術(shù)，設(shè)計(jì)和制造了寬動(dòng)態(tài)范圍圖像傳感器。該圖像傳感器由兩部分組成：氫化非晶硅（a-Si:H）薄膜光電探測(cè)器和專用集成電路（ASIC）。a-Si:H薄膜是在PECVD超高真空中制成的，而ASIC使用標(biāo)準(zhǔn)CMOS技術(shù)制備，這是繼CMOS圖像傳感器問世之后最新開發(fā)成功的新型傳感器。同CMOS圖像傳感器一樣，已經(jīng)引起人們的重視。薄膜專用集成電路（TFA）圖像傳感器由正面電極、a－Si:H背面電極、絕緣層和專用集成電路等組成。像素?cái)?shù)分別為368×256、495×128、1024×108，像素尺寸為30μm×38μm和10μm×10μm，芯片尺寸為16.5mm×14.9mm和16.6mm×12.6mm，動(dòng)態(tài)范圍為60dB～125dB，對(duì)于368×256像元器件，暗電流為3×10－9A/cm2，動(dòng)態(tài)范圍為125dB，信噪比為71dB。

    3.5 SeeMOS圖像傳感器
    Philips半導(dǎo)體公司的SeeMOS圖像傳感器UPA1021是一種具有VGA分辨率（640H×480V）的高度集成的1/4英寸CMOS圖像傳感器。該傳感器利用Philips的SeeMOS技術(shù)實(shí)現(xiàn)高分辨率和低噪聲。它在12MHz的頻率下輸出可達(dá)30幀/秒。其特殊的微透鏡陣列設(shè)計(jì)將填充因子提高了2倍，同時(shí)，利用Philips的DSP電路SAA8116GRBBayer CFA（彩色濾波器陣列）提供色彩元素以實(shí)現(xiàn)色彩再現(xiàn)。
    該傳感器可以通過I2C的串行接口進(jìn)行數(shù)字編程，并配備一個(gè)PGA（可編程增益放大器），提供高達(dá)24dB的增益，在高分辨輸出下可實(shí)現(xiàn)每秒0.094dB的分辨率和9位的ADC（模/數(shù)轉(zhuǎn)換器）。它適合于在各種光照明條件下工作，SeeMOS成像傳感器已用于PC攝像機(jī)。

　　4、固體圖像傳感器的市場(chǎng)

    4.1 在移動(dòng)終端的應(yīng)用
    固體圖像傳感器最有市場(chǎng)前景的應(yīng)用領(lǐng)域是移動(dòng)電視電話、筆記本電腦等移動(dòng)終端的移動(dòng)圖像商品群、電視攝像機(jī)、數(shù)碼相機(jī)等。這些個(gè)人儀器的市場(chǎng)規(guī)模很大。另一方面，隨著通信網(wǎng)絡(luò)傳送線路的帶寬的不斷擴(kuò)展，這種大容量通信線路有可能從家庭和個(gè)人向世界進(jìn)行動(dòng)態(tài)圖像傳送。而且支持圖像通信的低比特率的圖像通信方式的MPEG4標(biāo)準(zhǔn)化等也已實(shí)用化。這為固體圖像傳感器的應(yīng)用敞開了大門。

    4.2 在安保領(lǐng)域的應(yīng)用
    在IT化進(jìn)展以后，個(gè)人方便進(jìn)行信息發(fā)送和電子商務(wù)也成了問題。為了在網(wǎng)絡(luò)上安全進(jìn)行電子商務(wù)，人們開發(fā)了叫做生物計(jì)量安全技術(shù)的個(gè)人認(rèn)證技術(shù)，不僅能把口令而且能把個(gè)人一生中普遍具有的臉部特征、聲音、虹彩圖樣等作為認(rèn)證手段的技術(shù)。在這些應(yīng)用中，為了避免外來光的影響，提高識(shí)別精度，往往采用近紅外線攝像。特別是CMOS圖像傳感器，可用作近紅外圖像識(shí)別圖像輸入裝置。

    4.3 在基礎(chǔ)交通設(shè)施中的應(yīng)用
    世界各國都在開發(fā)交通方面的ITS（智能交通系統(tǒng)）。這可以理解為包括汽車在內(nèi)的交通信息網(wǎng)絡(luò)，是大規(guī)模進(jìn)行交通管理和控制能量消費(fèi)的系統(tǒng)。現(xiàn)在正在進(jìn)行許多攝像機(jī)應(yīng)用儀器的開發(fā)，例如高速公路交通量的監(jiān)視、隧道內(nèi)的監(jiān)視、交叉點(diǎn)的監(jiān)視、收費(fèi)站的自動(dòng)化等。從車輛方面來看，有車輛駕駛狀態(tài)監(jiān)視器（脫離行車路線監(jiān)視）、駕駛員打瞌睡監(jiān)視、為自動(dòng)駕駛的行車線和障物識(shí)別、實(shí)時(shí)記錄事故狀況的記錄儀等等。估計(jì)每一輛汽車需使用5臺(tái)～6臺(tái)攝像機(jī)。

    4.4 在其他方面的應(yīng)用
    在ITS方面開發(fā)的攝像機(jī)都要直接滿足監(jiān)視攝像機(jī)的規(guī)格。雖然監(jiān)視攝像機(jī)要由人來觀察攝像裝置的圖像信號(hào)，但也可以成為與圖像處理裝置相結(jié)合的機(jī)器視覺裝置。預(yù)計(jì)組裝進(jìn)特定處理電路的攝像機(jī)和與誰都會(huì)使用的無線技術(shù)相結(jié)合的攝像機(jī)將會(huì)形成新的市場(chǎng)。
    在玩具、游戲機(jī)、娛樂儀器領(lǐng)域的攝像機(jī)也會(huì)有廣闊的應(yīng)用前景。固體圖像傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域如圖2所示。

　　5、主要技術(shù)
  
    究竟是CCD好還是CMOS圖像傳感器好，這是個(gè)既老又新的問題，早在十多年前就在爭論。當(dāng)時(shí)，似乎認(rèn)為CCD是固體圖像傳感器的代名詞，但是，實(shí)際上第一個(gè)家庭用攝像機(jī)是采用MOS型圖像傳感器制成的。CMOS圖像傳感器根據(jù)像素的組成可以分成無源型和有源型，當(dāng)時(shí)開發(fā)的MOS型是無源型，這是通過X—Y地址開關(guān)讀出積累在光電二極管上信號(hào)電荷的型式。這種MOS開關(guān)的熱噪聲是致命的。因此，在當(dāng)時(shí)的爭論中，CCD圖像傳感器取得勝利。
    另一方面，有源型的CMOS圖像傳感器在像素中集成了放大器，因此，可以降低噪聲。但是，在一個(gè)像素上要集成一個(gè)放大器，當(dāng)時(shí)是難以實(shí)現(xiàn)的。然而，最近，提到CMOS圖像傳感器，往往是指這種有源型。有源型CMOS圖像傳感器與CCD圖像傳感器的性能如果進(jìn)行比較，那么，在靈敏度、隨機(jī)噪聲、固定圖像噪聲方面，CCD較好，CMOS圖像傳感器較差。而在單一電源、功耗、集成化、多功能化、成本和抗光暈等方面，CMOS圖像傳感器較好，CCD圖像傳感器較差。
    CMOS固體圖像傳感器的特征基于CMOS技術(shù)，并且具有可以應(yīng)用存儲(chǔ)器等迅速發(fā)展的CMOS技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。此外，CCD基本上只能讀出串行的信號(hào)，而CMOS圖像傳感器可以隨機(jī)存取、成組存取，并可實(shí)現(xiàn)其他電路的功能。為了消除噪聲，開發(fā)了相關(guān)雙重取樣法等。為了提高靈敏度，還研究出增大光電二極管面接合深度或采用埋入型光電二極管的方法。不拘泥于標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝，比如追加工序，試圖改善像質(zhì)方面也進(jìn)行了研究。
    回顧C(jī)CD的發(fā)展歷史，除了著意提高像素外，在技術(shù)開發(fā)上并沒有太大突破。進(jìn)入2000年后，CCD技術(shù)的發(fā)展一下子加快起來，新型結(jié)構(gòu)的CCD不斷進(jìn)入市場(chǎng)，CCD的缺點(diǎn)也在改善，例如低耗電、多功能化、低價(jià)格化和多層感色等。CCD圖像傳感器并沒有退出市場(chǎng)，其市場(chǎng)份額仍然很大。在數(shù)碼相機(jī)和攝像機(jī)市場(chǎng)仍將以CCD為主要的成像器件。與此同時(shí)，CMOS圖像傳感器也進(jìn)入高速發(fā)展的階段，在數(shù)碼相機(jī)和攝像機(jī)市場(chǎng)隨處可見。

　　6、結(jié)論
  
    現(xiàn)在比較流行的固體攝像器件主要是CCD、CID、superCCD和CMOS，兼?zhèn)銫CD與CMOS圖像傳感器的FoveonX3多層感色CCD、FoveonX3全色CMOS圖像傳感器、VMISCMOS圖像傳感器也有望脫穎而出。視覺信息約占五官接收信息總量的80％，因此，在信息社會(huì)中，固體圖像傳感器在國民經(jīng)濟(jì)和人民生活中所起的作用越來越大，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。今后，CMOS圖像傳感器的發(fā)展會(huì)更快，但它不可能完全代替CCD，各有所長。固體圖像傳感器將進(jìn)一步向多功能化、單芯片化、多層感色、全色和智能化方向發(fā)展。