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新型传感器技术文献课 SuperCCD 背照式CMOS以及混合图像传感器BCMD 报告人 何旭栋 参考文献 1 程开富 CCD固体摄像器件的发展现状 J 集成电讯 2004 3 31 38 2 KenjuHorit T Kuroda Y Matsuda T Kljrijala AVerySmall Super 8 FormatCCDImagerforSingle ChipColorCamera J IEEE 1985 32 1446 1450 3 杨博雄 肖莺 超级CCD的基本原理与关键技术 J 技术与应用 2005 2 25 28 4 TomJoy SunggyuPyo SunghyungPark etal DevelopmentofaProduction Ready Back IlluminatedCMOSImageSensorwithSmallPixels J IEEE 2007 07 1007 1010 5 JaroslavHynecek Member etal BCMD AnImprovedPhotositeStructureforHigh DensityImageSensors J IEEE 1991 38 1011 1020 一 图像传感器的简单介绍及其发展趋势 数码相机画质是由哪些因素决定的 1 1研究图像传感器的意义 1 镜头 光线到达传感器之前是要通过镜头 2 传感器 3 数据处理方面 从传感器出来的数据还是要经过数码相机内部的处理器来进行处理才能得到最终的照片数据 这与人眼的结构十分相似 镜头相当于眼球 传感器就象视网膜 而数据处理起着大脑的作用 这其中 视网膜是决定接收到的图像的质量好坏与否的关键部件 相对应地 传感器也是数码相机中的关键部件 1 2图像传感器的介绍 图像传感器的作用 将不同强度的光线转换为不同幅度的图像信号 图像传感器上的一个光敏单元叫做一个像点像点越多图像分辨率越高 最常用的图像传感器为 CCD和CMOS 1 3CCD图像传感器的简单回顾 首先芯片的成像单元在一定光照下形成电荷积累光子转电子 然后在一组时序脉冲的控制下电荷被转移到读出寄存器中转换为图像信号后传输到芯片的外围电路 经外围电路模拟放大和模数转换后最后输出到数字信号处理电路作进一步处理 1 4CMOS的简单介绍 CMOS属于有源像素传感器 其光子转电子 电子转电压及缓冲放大等作用都是在成像单元内完成的成像单元的电路构成如图1所示 图1中D为光电二极管 作用是将光子转换为电子 T2是源极跟随器 起电压缓冲和电流放大作用 T3工作于开关状态 在行地址脉冲的控制下将T2源极上的电压信号选通到列缓存器中 然后经放大和数模转换后输出到电路 图1CMOS有源像素单元 1 5CCD与CMOS的对比及其发展趋势 CCD传感器在灵敏度 分辨率 噪声控制方面都优于CMOS CMOS传感器具有低成本 低功耗以及高整合度的特点 高端成像 像素1400万以上 CCD 500 1400万像素 CCD和CMOS都可 更多的是用CMOS解决 500万像素以下 CMOS传感器完全占领市场 CCD的新技术为 SuperCCD CMOS的新技术为 背照式CMOS 但是总的发展趋势可能为 1 CMOS可能成为主导地位 2 CCD和CMOS技术相互结合 混合图像传感器BCMD 兼有CCD和CMOS技术两者的优点 二SuperCCD 对自然景色平均空间频率特性研究表明 地心引力使空间频率的功率主要集中于水平 垂直方向 要有效捕获视觉信息 眼睛在这些位置需更灵敏 同样 CCD水平轴 垂直轴分辨力也是决定器件分辨力关键 而对角线高频特性损失对图像质量影响极小 传统CCD像素单元排列呈矩形 像素间水平 垂直距离比像素本身对角线长 这种结构使CCD在像素对角线方向获得好的图像质量 而水平轴 垂直轴方向分辨力才是影响CCD分辨力的关键 对角线高频特性损失对图像质量影响极小 显然 传统CCD像素单元排列结构有待改进 2 1SuperCCD产生背景 改进方案 CCD像素单元旋转45 蜂窝状排列 提高水平轴 垂直轴分辨力 配合其它技术 使CCD性能指标显著提高 2 2SuperCCD基本原理 超级CCD利用这一特点 放弃了普通CCD中所广泛采用的矩形光电二极管 而代之以较大的八角形光电二极管 同时也改变了普通CCD像素的排列方式 在像素之间采用蜂窝状的排列方式 普通CCDSuperCCD 图2普通CCD与SuperCCD的对比 图3超级CCD的像素几何形状与排列结构 像素的几何形状 普通CCD各像素由光电二极管 控制信号通道 电荷传输通道组成 超级CCD取消了控制信号通路 并利用多余空间增加光电二极管感光面积 扩充的面积相当于传统CCD二极管的2倍 同时 用新型大八角性二极管取代传统CCD矩形状管 使像素空间效率显著提高 密度达到最大 极大增加了感光度 超级CCD八角形光电二极管非常接近微透镜的圆形 有效面积的增加大大提高了光吸收效率 像素的排列结构 这种更符合人类视觉特点的结构不但有效提高封装密度 同时 由于垂直轴上间隙较大 其垂直 水平方向分辨率也会高于对角线分辨率 2 3输出读取方式 超级CCD进行视频输出时 其跳跃读出不再局限于垂直轴 在两个方向上都可以 这是获得高质量视频输出的关键 另外 超级CCD在每一水平行上都有RGB信号 从而解决了普通CCD所无法解决的难题 根据像素总数的不同 超级CCD的垂直跳跃读出可以按1 2 1 3或者任何其它比率进行 也可以进行水平1 3跳跃读出 使获得高质量的 每秒30帧全动视图像成为可能 普通CCD只能使用固定速率跳跃读出垂直轴 因为读出所有垂直行要花太长的时间并减慢视频率 但这造成了影像质量的不可避免的降低 同时 因为所有的像素都必须水平读出 其视频率就会很慢 还有一个问题 即每一水平行只有G B像素或RG像素为了产生每个像素必需的RGB彩色信号 必须读出相邻两行 这也是会造成视频输出的延时 2 4超级CCD色彩处理 图4普通CCD色彩单元与超级CCD色彩单元对比 传统彩色CCD感光单元及滤色镜的排列是方形的 以G R G B型CCD为例 如图4 a 所示 在进行信号处理时 由a b g h四点计算出一个RGB值 作为一个像素记录下来 同时 b c h I g h m n h i n o又各计算出一个像素 可以简单的理解为4个感光单元的中心点构成一个 像素点 这样 每个感光单元的光值都是复用的 使用了4次 边缘部位除外 普通CCD存在的问题 感光单元呈方形排列的一个问题就是 无论怎样排列组合 都不能均匀排列 每个 像素点 周围的色彩都有重复 不能使三个单色的感光单元正好形成一个像素 造成了感光单元的浪费 超级CCD正是解决了这个问题 其上感光单元的排列是交叉的 这样 在排布滤色镜时就可以均匀排列 如图4 b 所示 在进行数据处理时 g b h三点计算出一个RGB值 作为一个像素记录下来 同时 b c h c i h i n h m n h g m h又各计算出一个像素 即每三个感光单元的中心构成一个 像素点 这种计算方法 每个感光单元的光值复用了6次 感光单元又只有3类 所以 虽然感光单元没有增加 产生的像素数却多了一倍 2 5当前SuperCCD 实际使用证明 超级CCD最大分辨率时图像质量没有标称的好 FinePix 40i实际像素为240万 用超级CCD技术处理后提升至432万 但即使是最高图像模式 除色彩还原较艳丽外 仍可在输出图像细节发现明显噪音 图像解晰力亦略模糊 不符合430万像素时应有的高分辨率 一般认为 超级CCD像素利用率较普通CCD高33 因此输出像素也应比传统CCD高33 即240万像素普通CCD采用该技术处理后 实际输出像素为320万 3 2背照式CMOS的原理 图5FBI与BSI的对比 三背照式CMOS BSI 按照采光方式 前照式和背照式 前照式 光从正面照射芯片形成电荷 背照式 光从背面通过并进入感光元件 前照式图像传感器的价格相对比较低廉 在传统的前照式结构中构成传感器感光区域的金属电极和晶体管被置于基板表面 不仅阻碍了片上透镜的采光进程 而且也成为像素尺寸小型化和扩大光学视角响应方面的一个重要难题 3 1图像传感器的分类以及背照式的产生背景 图6FSI与BSI模拟比较 图7黑白BSI交界面原理图 图8氧化物氧化物连接显微图 图9BSI和FSI的封装图对比 3 3BSI与FSI的模拟与实验对比 表1黑白BSI与FSI实验数据对比 图10不同光照下的FSI和BSI量效率 图11BSI传感器与模拟传输对比 图12BSI与FSI调制转移函数与光照颜色之间的关系 3 4背照式CMOS总结 背照射图像传感芯片改进了传统的前照射图像 传感芯片的结构把感光像素与金属电极晶体管分别置放于片的两面使像素占空比达到了提高了分辨率缩小了核心尺寸加快了响应速度增加了光线采集效率改善了信噪比背照射图像传感器的光谱响应区间可延伸到深紫外频段并能保持高且稳定的灵敏度 新型基板材料简化了背照射图像传感芯片的生产工艺提高了良品率降低了制造成本实现了背照射图像传感芯片的大规模生产背照射图像传感器使检测系统的整体性能都得到了提升将从此逐步取代前照射图像传感器成为图像传感领域的主流技术 四BCMD混合图像传感器 4