CIS接触式图像传感器的发展与应用

1、-62-国外电子元器件2002年第6期2002年6月接触式图像传感器的发展与应用信息产业部电子第44研究所程开富Develo p ment and A pp lication of Contact Ima g e SensorChen gK aifu摘要:CIS(接触式图像传感器 是一种新型图像传感器。它比CCD 部件结构更紧凑, 体积更小, 且价格更低。可广泛用于小型低功耗便携式扫描仪等系统, 文中主要介绍了接触式图像传感器的发展现状及应用。关键词:接触式; 图像传感器; 扫描仪; CCD 图像传感器分类号:T N911. 73文献标识码:B(-综述接触式图像传感器(C ontact Im

2、a g e CIS 是继CCD 合器件。CCD 相比安装方便等优点。目前, 制备CIS 的材料有CdS 、CdS e 、C -S i 和a -S i H 等, 其性能如表1所列。但是, 在这些材料中, 用来制备CIS 的主要有a -S i H , 因为无定形硅(或氢化非晶硅a -S i H 用于图像传感器有以下 C LR SC L K NOP NOP SET B SC L K NOP M OV C ,DAT AP R LC AD JNZ R7,R77052M OV 31H ,A ; 保存低位字节POP 7POP PSWRET; -Read7705-; -ExtInt1-; 外部中断1的中断例程

3、。当AD7705的AD 转换结束后便会发生中断。ExtInt1:PUSH ACC LCALLRead7705POP ACCRETI; -ExtInt1-本程序在剑杆织机中已应用有一年多的时间,实践证明是可靠的。参考文献1. Analo g Device , AD7705/AD7706M anual2. 何立民.M CS -51单片机应用系统设计. 北京航空航天大学,19953. 张毅刚, 修林成, 胡振江. M CS -51单片机应用设计. 哈尔滨工业大学出版社,1992收稿日期:2001-11-15咨询编号:020620优点:能在一个大的基底上形成宽条; 其光谱灵敏度与光谱发光效率相似; 光

4、吸收率大于结晶硅; 有足够的电阻率以储存光电荷。另外, 由于无定形硅光电探测器在应用于图像传感器时对原稿的光信号响应很快。因此应用无定形硅可获得一种高速、高分辨率的大面积接触式图像传感器(CIS 。1CIS 的发展现状目前, CIS 已在全球取得了很大的发展。韩国W oo y oun g CO. Ltd 器WIS216-2M03H CIS 模块, ×232mm , 它由1728位M OS LE D , 并采用内部LE D 8d p i 分辨率。216mm 扫描范围, 其扫描速率为5ms/每行。它带有一路模拟输入, 并可提供用于输入和输出的10接脚连接器, 其电源采用7. 0VDC 。

5、日本K ana g aw a 技术学院研制出的彩色接触式图像传感器的性能如下:像元数:1728位;像元密度:8位/mm; 灵敏度:0.1A/Lux (LE D ; 光谱响应:485、560、660nm; 非均匀性:<10%; S/N:10001;读出速率:15ms/线(总时间/每线 ; 清晰度:0.5(8线/mm ;光电导涂层材料:CdS-CdS e ; 电压:5V。日本R ohm 公司开发的IA3005-CA10A 型彩色接触式图像传感器的图像阅读宽度可达127mm (B 6 , 分辨率为300d p i , 体积为137mm ×18mm ×8. 1mm 。该传感器

6、能处理1677×104种颜色, 每色8bit , 灰度达256级。读取速度为每行12ms , 光源采用置于陶瓷板中心的RG B 发光二极管(LE D 。光源上面有一塑料棱镜, 因而可使光线均匀地照射到图像和数据的表面上方以便于读入。为防止色串扰, 该CIS 使用单个RG B 光源。传真机、复印机、光符识别机(OCR 、扫描仪等办公自动化(OA 设备的迅速发展对设备的小型化、简易化及经济性提出了更高的要求。因此, 人们对作为输入器件的图像传感器的研究颇为活跃。尤其是最近, 普及型个人计算机的输入装置已在台式图像扫描器和便携式扫描器中开始使用。目前, 接触式图像传感器大致可分为两种, 一

7、种是使用易于制成大面积薄膜的光电变换材料, 另一式。后者虽然性能优异, , , 可, 硒(-, 碲(As -S e -T e 和氢化i H 等。其中a -S i H 对可见光具有, 而且无公害。因此, 在用这种非晶硅制作高速、高性能装置的光电变换器件时, 为了提高其光响应特性, 可采用具有阻流电极结构的层状式器件, 如使用肖特基势垒二极管、金属绝缘体半导体(MIS 二极管、P -i -N 二极管等。这些不同的器件结构具有不同的特点, 其中肖特基势垒二极管的结构最简单, MIS 二极管可得到非常小的暗电流, P -i -N 二极管具有良好的整流特性。日本日电公司光电子学研究所的板术干雄等研制了异

8、质结二极管, 该二极管结构较为简单, 易于制作, 即使是在高温时也能获得较小的暗电流, 其结构是在氧化铟锡(IT O 和非晶硅之间夹入一层P 型非晶S iCx , 从而提高了光电二极管的性能。有关非晶硅异质结二极管的制备工艺, 日本日电公司光电子研究所已作了详细介绍。同时已研制出读出时间为11. 5ms/线, 分辨率为8位/mm (总像素1728位 和12位/mm (总像素2592位 以及16位/mm (总像素为3456位 的无定形硅接触式图像传感器, 并已用于传真机和扫描仪中。在国内, 接触式图像传感器已经进入研究和开发时期, 深圳市矽感微讯光电科技有限公司目前已可提供黑白接触式图像传感器,

9、 其分辨率有200d p i 、300d p i 、400d p i 等, 同时300d p i 和600d p i 彩色接触式图像传感器芯片也已开发成功。2应用接触式图像传感器(C ontact Im a g e S ensor 是一种最先用于传真机, 近年来开始应用于扫描仪的新技接触式图像传感器的发展与应用-64-国外电子元器件2002年第6期2002年6月术。世界著名的扫描仪制造商我国台湾地区的M icrotek 公司在1998年底推出的世界上第一台超薄型平台扫描仪S imscanC3中首次使用了CIS 设计扫描仪。由于CIS 是一种接触式图像传感器, 它的工作原理是把以矩阵式排列的内置

10、发光二极管作为微小光源发出的光线经过被扫描物进行反射, 然后将反射光通过感光器捕获并转化为电信号, 最后经过处理以直接形成扫描对象的完整影像。CIS 感光元件本身就可以完成成像任务, 而根本不需要反射镜或透射镜片的参与。因此, 这种产品的组装非常简单。由于CIS 是由单一组件组成, 所以维修也非常简单。另外, CIS 为LE D 无热光管, 因此不需预热过程, 接通电源即可进行扫描工作。利用CIS 技术的扫描仪一般都具有体积小、重量轻、的优点, , 果要比CCD , 它通、照片甚至较薄物件的图像信息, 作为一种高精度的光电一体化产品, 它通过光电器件将检测到的光信号转化为电信号, 再将电信号通

11、过模拟/数字转换器转化为数字信号并传输到计算机中进行处理。目前扫描仪中最常用的光电器件为CCD 。而最近推出的接触式图像传感器(CIS 扫描仪则采用CIS 代替普通的CCD 器件, 同时用一排300或600个紧密排列的红(R 、绿(G 、蓝(S LE D 传感器所发出的光混合在一起来产生白光源, CIS 的出现代替了复杂而昂贵的CCD , 同时也使耗电量大大减少, 但是现在的CIS 缺点还很多, 比如CIS 要一次扫描, 三次曝光, 所以扫描速度较慢, 而且CIS 没有景深的概念, 扫描物体必须与感光元件靠得很近, 因此它不能进行实物扫描, 而且CIS 的扫描图像质量和色彩也不是太好。2. 1

12、采用CIS 技术的扫描仪CIS 技术最早于二十世纪八十年代中期开始应用于黑白手持式扫描仪, 但由于扫描质量差, 扫描速度低而并未普及。近年来, 国内部分厂家推出了采用接触式图像传感器(CIS 技术的彩色平台式扫描仪, 并将这些扫描仪的色彩位数提高到了36位, 这使得人们仿佛看到了一种新技术扫描仪的出现。从扫描仪的内部结构上来看, 采用最成熟的CIS 技术在结构上一举突破了一般超薄扫描仪的缺点, 而且具有外型坚挺、可靠的优点。因而更能发挥扫描仪技术的优势。因为采用CIS 技术的扫描仪具有超薄(4cm 、体积小、重量轻, 易于安装, 使用方便等优点, 因而是笔记本电脑的新宠。彩色台式扫描仪是一种较

13、新的设备, 但这种设备具有很多硬/软件并行设计工具必须解决的设计问题。扫描仪的核心是一个数字化机器, 即混合信号前端, 它可放大来自CCD 或CIS 的输入信号, 并将其转换为数字量来表示每一像素点上红绿蓝信号(RG B 的亮度(或颜色深度 。2. 2CCD 与CIS , , 。为了吸引用, , 而且都不断地推陈出新, 希望以更新更好的产品占领市场。各大厂商都想方设法改进自己的扫描仪产品, 但是长期以来, 扫描仪的关键技术CCD(电荷耦合器件 技术并没有多大改变, 人们在购买扫描仪时也不关心采用的是什么目标技术。但最近情况却发生了变化, 一种全新的扫描技术CIS (接触式图像传感器 技术面世了

14、。人们在购买扫描仪时, 必须根据自己的需求选择适合自己的扫描技术。那么CCD 与CIS 各自到底有什么优缺点, 它们的应用范围和应用前景如何呢?传统的CCD 技术的工作原理很像复印机, 它利用外部高亮度光源将原稿照亮, 并像原稿的反射光经过反射镜、投射镜和分光镜后成像在CCD 元件上。由于镜头成像有一定的清晰度, 所以原稿可以具有一定的景深, 也就是可以扫描具有立体表面的物体。CCD 扫描仪的景深一般可以达到几十厘米, 这就是厂商们常说的三维3D 扫描。由于CCD 的光学器件比较复杂, 所以很难缩小体积, 所以CCD 扫描仪一般比较厚重。CIS 产品的工作原理与传真机很像, 它没有镜头组件,

15、CIS 感光器件横跨整个扫描幅面的宽度, 而且能够最大限度地贴近原稿。CIS 采用发光二极管作为光源和二极管感光元件, 因此, 结构简单紧凑, 体积可以做得很小, CIS 产品的厚度通常不到CCD 产品的一半。但由于CIS 器件没有镜头成像部分, 所以其景深很小, 一般只能扫描平面物体。CIS 器件属于半导体器件, 因而在大规模生产后可以实现较低的成本。CCD 器件与数码相机中使用的器件相同, 它的制造技术已经非常成熟。因此, CCD 器件可以做到非常高的光学分辨率, 例如紫光Unisan D2000型扫描仪的光学分辨率已达到1200×2400d p i 。而CIS 技术目前还处于发

16、展阶段, 其光学分辨率一般只有300×600d p i 。CCD 扫描技术由于其采用光学成像器件, 因而扫描出的图像色彩与亮度都非常均匀, 而且由于采用高亮度光源, 所以能达到非常高的色彩分辨率。而CIS 技术使用的是最大面积的感光器件, 因此, 在目前还很难保证扫描的均匀度, 而且由于使用的是亮度较低的二极管发光器件, 所以CIS 的色彩分辨率也不如CCD 出色。虽然CCD 在很多方面比CIS 出色, 但CIS 许多自己的优势。由于CCD 像组件, 其制造成本比较高, 后, , , 可以实现非常低的成本CIS 结构简单, 因此可以做得更小, 甚至可以应用到便携式扫描仪中。而CCD

17、扫描仪的体积一般比较大, 在某些场合使用不太方便。另外由于CIS 采用半导体发光器件, 耗电量比CCD 使用的高亮度光源小得多。因此, 随着科学技术的发展,CIS 扫描仪有望使用电池作为电源。那时CIS 技术必将成为便携式扫描仪的首选技术。现阶段, 由于CCD 技术已经非常成熟, 各大扫描仪厂商都有全系列的CCD 扫描仪产品可供不同层次的用户选择。例如紫光Uniscan 系列中就有U 2niscan4、5、6小天使A600、小天使A1200、M1200、D2000等多个系列的十几种不同型号的CCD 扫描仪供用户选择。如果不考虑价格和扫描仪体积等因素, 那么CCD 扫描仪是最好的选择。而CIS

18、扫描仪则具有价格低、体积小的特点, 而且技术指标已经可以满足一般家用和办公的需求。目前, 紫光Unis 2can630CP 型CIS 扫描仪具有300×600d p i 的光学分辨率和最大9600d p i 的插值分辨率, 以及30/10位色彩/灰度分辨率和A4的扫描幅面, 这些指标已经和普通的CCD 扫描仪不相上下, 完全可以满足一般家庭用户的要求, 而且与CCD 扫描仪相比还具有相当大的价格优势。虽然CCD 扫描仪在很长一段时间内还将是用户的首选, 但我们相信随着CIS 技术的不断完善和发展, 它必将逐渐流行起来。需要说明的是:CCD技术虽然不可能被CIS 技术所取代, 但两种技术必将长期共存, 共同发展。3国内扫描仪的发展状况北京汉王科技公司最新推出了一款“迷你型”扫描仪-M ini DOC , 机身重量只有0. 48k g , 机身轻盈、卓而不群。该产品因外型小巧、美观, 占用空间小而给家庭和办公扫描用户提供了新的选择。现在很多用户希望随身携带扫描仪, 而M iniDOC , , 可重复充电, 。, 扫描能力一点也不比流行的扫描仪逊。扫描仪图像捕捉器采用的是接触式图像传感器(CIS 方式, 其光学解析度为300×