数码相机图像传感器技术

    1 引 言

    数码相机用光敏元件作为成像器件,将图像中的光学信息转化为数字信号储存起来。这种光敏元件是数码相机的核心部件之一,被称为图像传感器或影像传感器(Image Sensor)。目前广泛被使用的图像传感器是CCD(Charge Coupled Device,电荷耦合元件)、Super CCD(超级CCD)和CMOS ImageSensor(Complementary Meta-l Oxide SemiconductorImage Sensor,互补性氧化金属半导体图像传感器)。

    CCD由美国贝尔实验室于1969年发明[1]。同年的12月,日本的索尼(SONY)公司也开始着手研究CCD技术,1980年由SONY发布了全世界第一个商品化的编号为XC-1的CCD摄像机。后来,富士的研究人员对人眼视网膜的空间解像能力的特性进行了反复研究,在1999年日本富士开发出第一代的Super CCD。

    CMOS器件本是一种可大规模生产的集成电路。应用CMOS技术的图像传感器是在20世纪60年代末期出现的,比CCD传感器还要早出现几年的时间,但很快就被图像质量高、信号噪声小的CCD传感器所超过。进入了20世纪90年代,苏格兰爱丁堡大学和瑞典Linkoping大学的研究人员取得了令人欣喜的成果,推动了CMOS图像传感器的快速发展,CMOS图像传感器的性能也得到了大大的提高,为新一代低噪声、优质图像和高彩色还原度的CMOS传感器的开发铺平了道路。近年来,美国国家半导体公司、斯坦福大学实验室、贝尔实验室、Omivision、ST、Motorola等公司都纷纷投入这项技术的开发研究工作。

    2 技术分析

    由于CCD和CMOS图像传感器在最初的设计思路上和设计生产工艺上的不同,使得它们之间在结构上存在着很大的差异。图1、图2、图3分别是CCD、Super CCD和CMOS的排列结构示意图,下面,我们就结合这三个示意图分别加以介绍。

    2.1 CCD/CMOS的结构分析

    2.1.1 CCD技术[7]

    目前在数码相机中使用的CCD有行间传送CCD(Interline Transfer sensor)、全帧CCD (FullFrame sensor)和超级CCD(Super CCD)。

    ①行间传送CCD和全帧CCD

    对于行间传送CCD(Interline Transfer sensor)、全帧CCD(Full Frame sensor)来说,CCD上的每个像素都是由一个光电二极管、一个控制信号通路和一个电荷传输通路组成。CCD上的光电二极管呈现矩形,像素单位排列呈直角(见图1),也就是说,这种CCD在像素单位的对角线方向能获得更好的图像质量表现。在CCD中,为了防止相邻像素间的电荷混淆,需要三层聚合物涂层来分隔每个像素单元,这种复杂的结构制造起来会很困难。

    全帧CCD是一种经典结构的CCD,这种CCD在曝光以后,必须在读出过程中关闭快门使其保持黑暗。然后它把传感器的底行电荷移出,每次移动一个像素。当底行被移空后,所有的电荷被向下移出一行,然后底行被移出。这个过程被重复直到最后顶行被移到底行,并被移出。然后传感器准备积累另外一幅图像。