不管是最新的手机仍是大型天文望远镜，固态成像器材简直能满意现在一切图画捕获的需求。像素变小能使现有的VGA和数百万像素传感器尺度减小，可是具有数千万像素的大型静态传感器更简略制作。在最近几年中，根据CMOS技能的图画传感器已成为消费类产品的选用技能。在分辨率为VGA到800万像素的成像器材中，它们比电荷耦合器材(CCD)传感器具有更高的本钱和功用优势。不过，在800万像素以上的商场中，CCD仍占绝对优势，由于CCD的噪声更低，灵敏度更高(图1)。
CCD传感器在工业和医疗运用中也占有着操控位置，由于这些范畴寻求的是高帧速率，而不是高分辨率。芯片架构规模从数千像素的简略线性阵列到数百万像素阵列。Fairchild Imaging、Fraunhofer-IMS、Hamamatsu、柯达和Saroff Labs都能供给满意这一商场需求的解决计划。
CMOS传感器运用CMOS技能的工艺扩展功用，以及图画处理器和模数转化器(ADC)等更强的集成逻辑功用，来完成一套完好的“片上相机”解决计划。由于CMOS传感器的像素尺度现已减小到每边小于3um，因而规划工程师可以在与上一代VGA传感器相同的芯片面积上，规划出更小的VGA分辨率传感器或具有数百万像素的传感器。
 |
| 图1：在800万像素以上的商场中，CCD仍占绝对优势，由于CCD的噪声更低，灵敏度更高。 |
别的，在未来几年中，轿车安全运用将开端消费数量巨大的低本钱成像器材。辅佐照相机、驾驶员打瞌睡警报、安全气囊及其它运用都将运用图画数据，来更好地保护驾驶员。
光刻和像素规划的进一步开展将供给更好的可扩展性，使规划工程师能规划出具有更高分辨率的器材。要害应战在于在光源捕获面积缩小的一起坚持像素单元的灵敏度。此外，假如捕获到的光能量较低，则有必要下降背景噪声，以有用坚持满意的信噪比。因而，工艺开发人员有必要要点削减半导体资料中固有的热噪声和其它噪声源，以有用进步信噪比。
CMOS传感器中的每个像素都有各自的电荷到电压转化进程。传感器一般包含放大器、噪声校对和数字化电路，这样芯片输出的便是数字比特。这些额定的功用将添加规划的杂乱性，并可能削减可用于光捕获的面积。由于每个像素都进行各自的转化，所以像素与像素之间的一致性比较差。但经过运用片上逻辑，可以构建一个仅需少数外围电路就能完成根本操作的芯片，。
CCD传感器的工艺不像CMOS那样灵敏，大多数CCD传感器需求数量可观的外部支撑电路。在不惜牺牲体系尺度而寻求图画质量(用量子功率和噪声来衡量)的照相、科学以及工业运用中，传统上由CCD传感器供给功用基准。
运用CMOS和CCD传感器的运用类型没有显着的分界线。当CMOS规划工程师花大力气进步图画质量时，CCD规划工程师则将要点放在削减功耗和像素尺度上，以便在低端产品商场中与CMOS器材一决凹凸。CMOS传感器的首要优势是本钱低，由于它可以选用干流的CMOS制作工艺。
高端成像运用范畴首要选用1,400至8,100万以上像素的CCD成像器材。在500万到1,400万像素的运用中，CMOS和CCD成像器都可以选用，但更多的仍是CMOS解决计划。低于500万像素的CCD成像器仍有一些，但随着CMOS成像器彻底占有这部分商场，这种CCD成像器将变得越来越少。
 |
| 图2：这种由Foveon公司开发的直接图画传感器技能相似于五颜六色底片。它在硅片上堆叠三个特定于色彩的像素层，而不是在传统的X-Y栅格上散布像素，它不再需求色彩过滤层来别离色彩。 |
CMOS传感器的最新技能
Foveon公司选用了一种很共同的CMOS成像器规划办法。它并不选用覆盖了色彩过滤层的单层像素，而是选用硅片中共有三层像素的X3架构(图2)。这种直接图画传感技能可以在单次曝光进程中直接捕获图画中每个点的红光、绿光和蓝光，因而单个像素区域就能捕获悉数三原色。相反，大多数CMOS和CCD传感器在像素顶部运用色彩过滤层，这些色彩过滤层构成马赛克形状的三像素簇，以捕获三原色。Foveon公司的计划根据不同波长的光在硅片中不同深度处被吸收这一原理，因而每个笔直堆叠的红、绿和蓝像素可以直接捕获图画中每个点的一切光。
最大的X3传感器有1,000万个像素。其笔直堆叠的像素要比选用色彩过滤层的传统X-Y阵列小许多。这种传感器耗费的功率也很少，十分合适许多数字停止照相机(DSC)。它选用2.5V供电，读数据时的功耗为50mW，待机和断电时的功耗分别为10mW和0.1mW。
一个像素区域可以处理三个像素层的作业。由于像素尺度可以改动，所以这种传感器可以在两种形式之间无缝切换，一种形式是以最大分辨率捕获停止图画，一种形式是以较低分辨率捕获数字视频。这种形式切换是经过操控信号将相邻像素组成1×2、2×2或4×4等这样的像素簇而完成的。
像素簇越大，灵敏度就越高，这是由于有更多的像素搜集来自图画中同一个点的光。在全分辨率形式下，传感器的捕捉速率为4.4帧/秒，而在576×384像素分辨率形式中，捕捉速率高达25帧/秒。
成像芯片上的附加电路为体系规划工程师供给了高度灵敏的片上读出体系，该体系可以简化数字缩放、场景测光等功用的完成。该芯片还可以经过软件完成被Foveon称为填光(Fill Light)的功用，然后大大进步受杂乱光线条件影响的图画质量。在该计划中，软件可以模仿在暗影区域添加额定光照的一起保存高亮区域细节的拍摄技能。
尽管这些高分辨率传感器代表了业界现在最高水平，但昂扬的价格使它们被手机、网络相机和消费级停止图画照相机(一般在600万像素以下)等群众商场产品拒之门外。但随着传统CMOS传感技能的开展，CMOS传感器的分辨率和灵敏度在不断进步，与此一起芯片尺度也在进一步缩小以下降芯片本钱。
赛普拉斯公司的CYIHDSC9000AA是一款用于高端消费类DSC的900万像素五颜六色传感器，它选用130nm规划工艺规范，可以供给6.4um的像素距离。该传感器可以满意高档拍摄规范要求，成像阵列由3710×2434像素组成，占用面积为23.3×15.5mm2。这种产品可以支撑的有用焦距是全帧35mm照相机的1.5倍。赛普拉斯公司还供给单色版的传感器。五颜六色传感器在全分辨率下可以支撑5帧/秒的速率，在VGA分辨率下可支撑20帧/秒的速率。
在最近举行的IEEE世界固态电路会议(ISSCC)上，索尼发布的一款640万像素图画传感器据称能支撑60帧/秒的最高帧速率。该芯片的Z字型4像素同享机制供给了高效的1.75晶体管/像素架构。片上10位计数器类型列并行ADC供给数字化的像素数据。由于选用180nm规划规范制作，像素只要2.5um2。此外，成像阵列可以在全帧和2×2组合形式之间切换，无需刺进额定的无效帧，然后可防止集成时刻不一致。
三星也在ISSCC上展现了略大一些的720万像素传感器。该传感器也运用4像素同享结构，但它选用了130nm规划规范和镶铜工艺，能有用下降像素高度，并进步光学功率。
 |
| 图3：东芝的ED8E99-AS图画传感器具有320万像素，集成了主动瑕疵校对和检测、增益操控、镜头暗影校对功用，可简化照相子体系规划。 |
500万像素成干流
对干流DSC运用来说，500万像素分辨率的传感器将在消费类群众商场中占有首要比例。一起，照相手机也将选用CMOS传感器，这意味着2006年的高端手机将集成500万像素的成像器。
柯达、美光和OmniVision Technology公司是500万像素传感器的首要供给商。最近在拉斯维加斯举行的消费电子展中，新创的Planet82公司展现了一种根据纳米技能的新式500万像素传感器，该传感器可以在极低的光强环境下作业。
去年底柯达推出了KAC-5000。这款500万像素的传感器选用1/1.8英寸的光学格局，方针商场是干流DSC。它选用2.7um2的像素和柯达立异的Pixelux技能，该技能将小型光电二极管、四晶体管像素和同享像素架构结合在一起，以便在低光照条件下供给很高灵敏度。该传感器在全分辨率形式下的捕获速率为6帧/秒，在VGA分辨率下的速率超越30帧/秒。
使小型光电二极管以地为基准可以下降暗电流。为改进频谱呼应功用，传感器经过真实的相关双倍采样机制消除热源噪声。由于同享像素架构答应进行组合，所以4个相邻像素可以组合起来构成较大的像素，以在低光照条件下更好地捕获图画。动态功耗比较适中，约150mW。但0.5mW的待机功耗却为美光和OmniVision器材的10倍左右。
美光的 500万像素传感器MT9P001，选用更大的1/2.5英寸光学格局，可以以12帧/秒的速率捕捉全分辨率图画，或许以30帧/秒的速率捕捉VGA分辨率的视频。MT9P001根据该公司的Digital-Clarity技能，其功耗不超越260mW，十分合适DSC和手机运用。
被装备成2592×1944单元的2.2um2的小像素，能使芯片的暗电流坚持在每秒仅20个电子，然后使背景噪声降至最低。小尺度像素还可以转化成只要5.7×4.28mm2巨细的小块成像区域，而且60dB的动态规模比柯达器材的52dB高出许多。
MT9P001还装备有片上12位ADC，因而可以直接向主机体系供给数字化数据。电子旋转快门能使芯片可以快拍或捕获接连视频。别的，这款成像芯片还直接集成可编程增益、帧速率、曝光时刻、图画镜像、取景器和快照形式等许多高档照相功用。
OmniVision OV5610 517万像素照相芯片则装备了相似巨细的像素阵列和片上ADC(10位，美光的器材是12位)。但与柯达芯片相同，它选用1/1.8英寸的光学格局和相似巨细的像素。尽管这款芯片是三者中速度最慢的，但在全分辨率下也能到达4帧/秒的速率。片上电路和算法消除了固定形式噪声和拖尾效应，而且极大削减了过度曝光(blooming)和暗电流现象。别的，它具有光学黑色校准功用，能到达与美光传感器适当的60dB动态规模。
OV5610的作业功耗约140mW，待机功耗在35uW以下，因而十分合适独自的照相机和摄影手机运用。操控寄存器可以让规划工程师愈加灵敏地运用守时、极性以及可编程主动曝光、增益操控和主动白平衡等芯片功用。
Planet82公司的计划选用了一种被该公司称为单载波调制光电检测器(SMPD)的技能。选用这种技能的图画传感器就像人工眼相同，可以在简直全黑的环境中不必亮光灯就能捕获图画。像素单元根据量子晶体管结构，而不是PN结二极管，因而与CMOS或CCD传感器比较，它的灵敏度要高出三个数量级。
该传感器在光强度小于1lux(勒克斯)的环境下不必亮光就能捕捉到图画，比人眼的分辨力还强。这种技能还能最小化像素区域的孔径比，然后使片上单位面积的像素更多。这种技能使芯片的尺度比选用相同规划工艺的CMOS传感器更小，功耗也更低，500万像素传感器的典型功耗约82mW。Planet82公司有望在2006年中期开端供给样品。
在分辨率为300万和低于300万像素的传感器商场中，现在已有越来越多的供货商在竞赛300万和100万像素传感器这个“香饽饽”。赛普拉斯、柯达、Magnachip、美光、OmniVision和东芝公司正在300像素传感器上打开剧烈竞赛。Avago Technologies(曾经是安捷伦的一部分)、夏普和意法半导体公司也现身在200万和低于200万像素的传感器商场中。
 |
传感器开展的两种趋势
供货商在传感器商场中朝两个方向开展。一种方向是规划根本传感器，尽量削减片上逻辑。另一种方向是创立高度集成的“片上相机”解决计划，在计划中集成JPEG图画处理器、主动聚集操控、亮光门控及其它图画与视频支撑功用。这些技能可以协助手机规划工程师更好地匹配其电话架构与成像子体系。除了供给裸片传感器外，供货商还能供给组合了传感器、固定或可变焦距镜头及一些操控逻辑的增值模块。
在300万像素等级，大多数成像芯片都不包含高档处理功用。但它们一般可以供给比大型传感器阵列更高的帧速率。例如美光的MT9T012，它选用与该公司500万像素芯片相同巨细的2.2um2像素，在全分辨率时能到达15帧/秒的速率，在较低分辨率时速率高达30帧/秒。
MT9T012的方针商场是移动运用，它选用1/3.2英寸的光学格局，具有可编程快照和亮光操控功用。
柯达的KAC-3100也选用与比它略大的同系列产品KAC-5000相同的2.7um像素。其12帧/秒的速率是500万像素传感器的两倍。不过该速率仍是达不到美光300万像素芯片的速率。
由Magnachip(前身是IC Media)公司开发的%&&&&&%M320T图画传感器在帧速率上到达一个新水平。它选用2.57um2的像素和1/2.7英寸光学格局，全分辨率时的速率高达16帧/秒，当对阵列进行二次采样时速率会更高。这款芯片十分省电，15帧/秒时的功耗仅为70mW，待机功耗还不到20uW。与美光的传感器相同，该传感器经过双线接口操控不同的作业形式(曝光时刻、帧速率、二次采样窗口巨细、模仿和数字增益、水平缓笔直图画回转及失效像素去除)。
OmniVision的OV3630和PixelPlus的PS1320也可到达15帧/秒的速率，与美光的MT9T012适当。OV3630传感器选用被OmniVision公司称为Omnipixel12的专有像素结构，可以消除固定形式噪声，并能明显削减拖尾效应和过度曝光现象。PS1320则集成了一个片上图画信号处理器，能让用户对各种窗口和帧速率进行编程、处理视频预览形式并履行黑色补偿。
东芝公司以一款ET8E99-AS传感器敲开320万像素商场的大门，该传感器选用2.7um像素和1/2.6英寸光学格局。在全分辨率形式时相同可以供给15帧/秒的速率，当像素组合时(3合1笔直组合)，速率可超越30帧/秒。片上ADC经过串行差分接口向主机供给原始的数字化数据(图3)。ET8E99-AS是东芝现有的200万像素、130万像素以及VGA传感器与模块之外的又一弥补。
在300万像素以下等级中，规划工程师可以从许多200万和130万像素的独立传感器中进行挑选。但这些器材需求外部处理器处理图画数据、发送JPEG停止图画或视频。为下降体系本钱，一些公司正在开发供给更高集成度解决计划的单芯片相机。
这样的芯片包含美光的200万像素传感器MT9D111和100万像素传感器MT9M111，以及Avago的130万像素传感器ADCC-3960。它们内置了JPEG图画处理器和其它体系支撑逻辑，这些逻辑可以减轻手机或照相机中主处理器的负荷。因而，在已有的芯片组解决计划中添加照相功用将变得愈加简略。
