圖像傳感器作為一種基礎器件,因能實現信息的獲取、轉換和視覺功能的擴展,并能給出直觀、真實、層次多、內容豐富的可視圖像信息,在現代社會中得到了越來越廣泛地應用。
20世紀60年代以前,攝像是用各種電子束攝像管來實現,60年代后期,各種固態圖像傳感器得到了迅速的發展。固態圖像傳感器主要分為兩類:一類是電荷耦合式圖像傳感器(CCDS),它從70年代開始就一直在圖像傳感領域占據支配地位,如今在市場上依然保持著優勢;另一類是CMOS圖像傳感器,雖在60年代就出現,但因其性能差,像素面積相對較大而沒有被當時的市場所接受。從90年代初開始,亞微米CMOS工藝的實用性、CMOS制造工藝的成熟和低噪聲有源像素傳感新概念的出現,都促成了現今高性能CMOS圖像傳感器的迅速發展。在未來的電子消費市場里,人們需要的是一種高分辨率、高速、低功耗、低成本、小型化和高集成數字式的圖像系統,而CCDS存在一些自身技術無法克服的缺點,因此,尚未成熟但更有發展空間的CMOS圖像傳感器設計日益得到人們的重視。
固態圖像傳感器是指將布設在半導體襯底上許多能實現光-電信號轉換的小單元,用所控制的時鐘脈沖實現讀取的一類功能器件。感光小單元簡稱為“像元”或“像點”。它們本身在空間和電氣上是彼此獨立的。固態圖像傳感器具有體積小、重量輕、解析度高、功耗低和可低電壓驅動等優點,目前已廣泛應用于電視、圖像處理、測量、自動控制和機器人等領域。
下圖是光導攝像管與固態圖像傳感器的基本原理的比較。如圖(a)所示,當入射光信號照射到攝像管中間電極表面時,其上將產生與各點照射光量成比例的電位分布。若用電子束掃描中間電極,負載上便會產生變化的放電電流。由于光量不同而使負載電流發生變化,這就是所需的輸出電信號。
而圖(b)所示的固態圖像傳感器的輸出信號的產生,不需外加掃描電子束,它可以直接由自掃描半導體襯底上諸像素而獲得。輸出電信號與像素的位置對應,因而,再生圖像失真度極小。顯然,光導攝像管等圖像傳感器,由于掃描電子束偏轉畸變或聚焦變化等原因所引起的再生圖像的失真,往往是很難避免的。圖 攝像管與固態圖像傳感器原理比較(a)光導攝像管;(b)固態圖像傳感器。
失真度極小的固態圖像傳感器,非常適合測試技術及圖像識別技術。此外,固態圖像傳感器與攝像管相比,還有體積小、重量輕、堅固耐用、抗沖擊、耐振動、抗電磁干擾能力強以及耗電少等許多優點。固態圖像傳感器所用的敏感器件為電荷耦合器件(CCD)、電荷注入器件(CID)、戽鏈式件(BBD)、互補金屬氧化物半導體器件(CMOS)等,它們大都可以在半導體集成器件的流水線上進行生產(例如:MOS、BBD用標準MOS工藝流程就能制造),因此,固態圖像傳感器的成本也較低。
從2001年到2003年相繼進入市場或即將進入市場的高速錄像看,CMOS傳感器占有90%的份額,很多研究機構都正在利用自定義的標準對CMOS進行研究和生產。以產品類別區分,圖像傳感器產品主要分為CCD、CMOS以及CIS傳感器三種。這里主要簡介CCD以及CMOS傳感器的技術。