CMOS图像传感器步入划时代

2018-01-04 17:57:03 来源:Teledyne e2v 公司, Pierre Fereyre,Gareth Powell
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I. 引言
早于上世纪九十年代初,有意见认为电荷耦合器件(Charge Coupled Device,CCD)日渐式微,最终将成为“科技恐龙”。如果用索尼公司(Sony)2015年的发布来看待,这个预言好像也有点道理:当时索尼公司正式发布终止量产CCD 时间表,并开始接收最后订单。虽然多年前业界已预计这是迟早出现的举措,但是索尼这一发布仍然震惊了专业成像社群。值得一提的是很多工业或专业应用(就是CMOS 图像传感器(CIS)的重点市场)到现在仍然基于CCD传感器技术。到底CCD有什么特点优于CIS,使其更具吸引力呢?在发展初期,CCD和CIS两种技术是共存的;后来CCD被视为能够满足严格图像质量要求的高阶技术,而同时期的CMOS技术仍然未成熟并受制于其固有噪声和像素复杂性等问题。在这一时期,图像技术仍然以模拟结构为主,而集成图像处理功能(系统级芯片SOC)这一意念还没有被认真考量。基于摩尔定律,技术节点的缩小使得SOC技术从2000年起快速扩展并更具竞争力。现在CIS继续致力改进光电性能,在很多方面都显得比CCD优胜。如果利用文首提到的“进化论”譬喻,其实可以把CIS视作抵过多次自然灾害仍然存活的哺乳类动物,而这个进化历史更是跨越6500万年的史诗式故事!
 
II. CCD 和 CMOS:同源异种
CCD的工作原理是将光子信号转换成电子包并顺序传送到一个共同输出结构,然后把电荷转换成电压。接着这些信号会送到缓冲器并存储到芯片外。在CCD应用中,大部分功能都是在相机的电路板上进行的。当应用需要修改时,设计人员可以改动电路而无需重新设计图像芯片。在CMOS图像传感器中,电荷转换成电压的工作是在每一像素上进行。CMOS图像芯片在像素级把电荷转换成电压,而大部分的功能则集成进芯片。这样所有功能可通过单一电源工作,并能够实现依照感兴趣区域或是开窗灵活读出图像。 一般来说,CCD採用NMOS技术,因而能够通过如双层多晶硅、 抗晕(antiblooming)、金属屏蔽和特定起始物料互相覆盖等特定工艺实现性能。而CMOS是基于用于数字集成电路的标准CMOS工艺技术生产,再根据客户要求加入成像功能(如嵌入式光电二极管) 。
 
一般的见解是CMOS传感器的生产成本比CCD低,因而它的效能也较CCD低。这个假设是基于市场需求的考量而出的,但是其它专业市场的意见却认为两者的技术水平相若,而CCD甚至可能更经济[3]。例如大型主要的航天计划仍然採用CCD元件,原因不单是CCD在小批量和低成本的考量下在工艺级实现性能优化,还有是长期稳定供货的需求考量。同样地,基于高端CCD的解决方案在科学成像市场也有主流占有率,而且还有一些新产品在开发阶段。情况就是恐龙进化成飞鸟,而它们大部分都能够提供优秀的成像功能……
 
CMOS的拥有经改进的系统复杂性,因为它基本上是嵌入了如模数转换、相关双采样(CDS)、时钟生成、稳压器等系统级芯片(System-On-Chip,SOC)结构,或是影像后处理等功能,而这些以前都是应用系统
 
级设计才有的功能。现在的CIS通常是依照从180 nm到近期65 nm的1P4M (1层聚酯,4层金属) 工艺生产,允许像素设计加入非常高的转换因子,便于结合列增益放大。这使得CMOS的光反馈和光敏感度一般都比CCD为佳。相较于CMOS,CCD芯片的衬底偏压稳定性更好且芯片上的电路更少,所以拥有更显着的低噪优势,甚至达到无固定模式噪声的水平。
 
 
圖1 – CCD 和 CMOS 结构比较表
 
 
表 1 – CCD-CMOS 特点比较表
 
另一方面,CIS有较低采样频率,可以减小像素读出所需要的带宽,因而瞬时噪声也较小。快门会同时对阵列上的所有像素进行曝光。但是CMOS传感器采用这一方法的话,由于每像素需要额外的晶体管,反而占用更多像素空间。另外,CMOS每一像素拥有一个开环输出放大器,而因着晶圆工艺的差异,每一放大器的补偿和增益会有所变化,使高或暗的不均匀状况都比CCD传感器差。相对于同级的CCD传
 
感器,CMOS传感器拥有较低的功耗,而芯片上其它电路的功耗也比CCD经优化模拟系统芯片匹配的解决方案来得低。取决于供货量并考虑到CCD导入外部相关电路功能的成本,CMOS的系统成本也有可能低于CCD。表一总结了CCD和CMOS的特点,有些功能有利于一种或其他技术,所以毋需完全分割整体性能或成本。不过,CMOS的真正优势是通过系统级芯片(system-on-chip)方式实现导入灵活性,以及其低功耗特点。
 
 
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