新型傳感器技術(shù)

新型傳感器技術(shù)第一頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期三參考文獻(xiàn)[1]程開富.CCD固體攝像器件的發(fā)展現(xiàn)狀[J].集成電訊,2004,3:31-38.[2]KenjuHorit,T.Kuroda,Y.Matsuda,T.Kljrijala.AVerySmall“Super-8”FormatCCDImagerforSingle-ChipColorCamera[J].IEEE,1985(32):1446-1450.[3]楊博雄,肖鶯.超級CCD的基本原理與關(guān)鍵技術(shù)[J].技術(shù)與應(yīng)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.第二頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期三一、圖像傳感器的簡單介紹及其發(fā)展趨勢數(shù)碼相機(jī)畫質(zhì)是由哪些因素決定的？1.1研究圖像傳感器的意義1、鏡頭：光線到達(dá)傳感器之前是要通過鏡頭。2、傳感器3、數(shù)據(jù)處理方面：從傳感器出來的數(shù)據(jù)還是要經(jīng)過數(shù)碼相機(jī)內(nèi)部的處理器來進(jìn)行處理才能得到最終的照片數(shù)據(jù)。這與人眼的結(jié)構(gòu)十分相似，鏡頭相當(dāng)于眼球，傳感器就象視網(wǎng)膜，而數(shù)據(jù)處理起著大腦的作用。這其中，視網(wǎng)膜是決定接收到的圖像的質(zhì)量好壞與否的關(guān)鍵部件，相對應(yīng)地，傳感器也是數(shù)碼相機(jī)中的關(guān)鍵部件。第三頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期三1.2圖像傳感器的介紹圖像傳感器的作用：將不同強(qiáng)度的光線轉(zhuǎn)換為不同幅度的圖像信號。圖像傳感器上的一個(gè)光敏單元叫做一個(gè)像點(diǎn)像點(diǎn)越多圖像分辨率越高。最常用的圖像傳感器為：CCD和CMOS。1.3CCD圖像傳感器的簡單回顧首先芯片的成像單元在一定光照下形成電荷積累光子轉(zhuǎn)電子，然后在一組時(shí)序脈沖的控制下電荷被轉(zhuǎn)移到讀出寄存器中轉(zhuǎn)換為圖像信號后傳輸?shù)叫酒耐鈬娐?，?jīng)外圍電路模擬放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換后最后輸出到數(shù)字信號處理電路作進(jìn)一步處理。第四頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期三1.4CMOS的簡單介紹CMOS屬于有源像素傳感器。其光子轉(zhuǎn)電子，電子轉(zhuǎn)電壓及緩沖放大等作用都是在成像單元內(nèi)完成的成像單元的電路構(gòu)成如圖1所示。圖1中D為光電二極管，作用是將光子轉(zhuǎn)換為電子。T2是源極跟隨器，起電壓緩沖和電流放大作用。T3工作于開關(guān)狀態(tài)，在行地址脈沖的控制下將T2源極上的電壓信號選通到列緩存器中。然后經(jīng)放大和數(shù)模轉(zhuǎn)換后輸出到電路。圖1CMOS有源像素單元第五頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期三1.5CCD與CMOS的對比及其發(fā)展趨勢CCD傳感器在靈敏度、分辨率、噪聲控制方面都優(yōu)于CMOS;CMOS傳感器具有低成本、低功耗以及高整合度的特點(diǎn)。高端成像（像素1400萬以上）：CCD；500-1400萬像素：CCD和CMOS都可，更多的是用CMOS解決；500萬像素以下：CMOS傳感器完全占領(lǐng)市場。CCD的新技術(shù)為：SuperCCD；CMOS的新技術(shù)為：背照式CMOS；但是總的發(fā)展趨勢可能為：1、CMOS可能成為主導(dǎo)地位；2、CCD和CMOS技術(shù)相互結(jié)合，混合圖像傳感器BCMD，兼有CCD和CMOS技術(shù)兩者的優(yōu)點(diǎn)。第六頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期三二SuperCCD對自然景色平均空間頻率特性研究表明:地心引力使空間頻率的功率主要集中于水平、垂直方向,要有效捕獲視覺信息,眼睛在這些位置需更靈敏。同樣,CCD水平軸、垂直軸分辨力也是決定器件分辨力關(guān)鍵,而對角線高頻特性損失對圖像質(zhì)量影響極小。傳統(tǒng)CCD像素單元排列呈矩形,像素間水平、垂直距離比像素本身對角線長,這種結(jié)構(gòu)使CCD在像素對角線方向獲得好的圖像質(zhì)量。而水平軸、垂直軸方向分辨力才是影響CCD分辨力的關(guān)鍵,對角線高頻特性損失對圖像質(zhì)量影響極小。顯然,傳統(tǒng)CCD像素單元排列結(jié)構(gòu)有待改進(jìn)。

2.1SuperCCD產(chǎn)生背景第七頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期三改進(jìn)方案：CCD像素單元旋轉(zhuǎn)45
蜂窩狀排列,提高水平軸、垂直軸分辨力,配合其它技術(shù),使CCD性能指標(biāo)顯著提高。2.2SuperCCD基本原理超級CCD利用這一特點(diǎn)，放棄了普通CCD中所廣泛采用的矩形光電二極管，而代之以較大的八角形光電二極管，同時(shí)也改變了普通CCD像素的排列方式，在像素之間采用蜂窩狀的排列方式。第八頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期三普通CCDSuperCCD圖2普通CCD與SuperCCD的對比第九頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期三圖3超級CCD的像素幾何形狀與排列結(jié)構(gòu)第十頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期三像素的幾何形狀:普通CCD各像素由光電二極管、控制信號通道、電荷傳輸通道組成，超級CCD取消了控制信號通路，并利用多余空間增加光電二極管感光面積，擴(kuò)充的面積相當(dāng)于傳統(tǒng)CCD二極管的2倍。同時(shí)，用新型大八角性二極管取代傳統(tǒng)CCD矩形狀管，使像素空間效率顯著提高，密度達(dá)到最大，極大增加了感光度。超級CCD八角形光電二極管非常接近微透鏡的圓形，有效面積的增加大大提高了光吸收效率。像素的排列結(jié)構(gòu)：這種更符合人類視覺特點(diǎn)的結(jié)構(gòu)不但有效提高封裝密度，同時(shí)，由于垂直軸上間隙較大，其垂直、水平方向分辨率也會高于對角線分辨率。第十一頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期三2.3輸出讀取方式超級CCD進(jìn)行視頻輸出時(shí)，其跳躍讀出不再局限于垂直軸，在兩個(gè)方向上都可以，這是獲得高質(zhì)量視頻輸出的關(guān)鍵。另外，超級CCD在每一水平行上都有RGB信號，從而解決了普通CCD所無法解決的難題。根據(jù)像素總數(shù)的不同，超級CCD的垂直跳躍讀出可以按1/2、1/3或者任何其它比率進(jìn)行，也可以進(jìn)行水平1/3跳躍讀出，使獲得高質(zhì)量的、每秒30幀全動視圖像成為可能。

普通CCD只能使用固定速率跳躍讀出垂直軸，因?yàn)樽x出所有垂直行要花太長的時(shí)間并減慢視頻率，但這造成了影像質(zhì)量的不可避免的降低。同時(shí)，因?yàn)樗械南袼囟急仨毸阶x出，其視頻率就會很慢。還有一個(gè)問題，即每一水平行只有G、B像素或RG像素為了產(chǎn)生每個(gè)像素必需的RGB彩色信號，必須讀出相鄰兩行，這也是會造成視頻輸出的延時(shí)。第十二頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期三2.4超級CCD色彩處理圖4普通CCD色彩單元與超級CCD色彩單元對比第十三頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期三傳統(tǒng)彩色CCD感光單元及濾色鏡的排列是方形的，以G-R-G-B型CCD為例，如圖4（a）所示，在進(jìn)行信號處理時(shí)，由a-b-g-h四點(diǎn)計(jì)算出一個(gè)RGB值，作為一個(gè)像素記錄下來，同時(shí)，b-c-h-I，g-h-m-n，h-i-n-o又各計(jì)算出一個(gè)像素，可以簡單的理解為4個(gè)感光單元的中心點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)“像素點(diǎn)”，這樣，每個(gè)感光單元的光值都是復(fù)用的，使用了4次（邊緣部位除外）普通CCD存在的問題：感光單元呈方形排列的一個(gè)問題就是，無論怎樣排列組合，都不能均勻排列，每個(gè)“像素點(diǎn)”周圍的色彩都有重復(fù)，不能使三個(gè)單色的感光單元正好形成一個(gè)像素，造成了感光單元的浪費(fèi)。

超級CCD正是解決了這個(gè)問題，其上感光單元的排列是交叉的，這樣，在排布濾色鏡時(shí)就可以均勻排列（如圖4（b）所示）。在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)，g-b-h三點(diǎn)計(jì)算出一個(gè)RGB值，作為一個(gè)像素記錄下來，同時(shí)，b-c-h，c-i-h，i-n-h，m-n-h，g-m-h又各計(jì)算出一個(gè)像素，即每三個(gè)感光單元的中心構(gòu)成一個(gè)“像素點(diǎn)”。這種計(jì)算方法，每個(gè)感光單元的光值復(fù)用了6次，感光單元又只有3類，所以，雖然感光單元沒有增加，產(chǎn)生的像素?cái)?shù)卻多了一倍。第十四頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期三2.5當(dāng)前SuperCCD

實(shí)際使用證明，超級CCD最大分辨率時(shí)圖像質(zhì)量沒有標(biāo)稱的好。FinePix-40i實(shí)際像素為240萬，用超級CCD技術(shù)處理后提升至432萬。但即使是最高圖像模式，除色彩還原較艷麗外，仍可在輸出圖像細(xì)節(jié)發(fā)現(xiàn)明顯噪音，圖像解晰力亦略模糊，不符合430萬像素時(shí)應(yīng)有的高分辨率。一般認(rèn)為，超級CCD像素利用率較普通CCD高33％，因此輸出像素也應(yīng)比傳統(tǒng)CCD高33％。即240萬像素普通CCD采用該技術(shù)處理后，實(shí)際輸出像素為320萬。第十五頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期三3.2背照式CMOS的原理圖5FBI與BSI的對比第十六頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期三三背照式CMOS（BSI）按照采光方式：前照式和背照式。前照式：光從正面照射芯片形成電荷。背照式：光從背面通過并進(jìn)入感光元件。前照式圖像傳感器的價(jià)格相對比較低廉，在傳統(tǒng)的前照式結(jié)構(gòu)中構(gòu)成傳感器感光區(qū)域的金屬電極和晶體管被置于基板表面，不僅阻礙了片上透鏡的采光進(jìn)程，而且也成為像素尺寸小型化和擴(kuò)大光學(xué)視角響應(yīng)方面的一個(gè)重要難題。3.1圖像傳感器的分類以及背照式的產(chǎn)生背景第十七頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期三圖6FSI與BSI模擬比較第十八頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期三圖7黑白BSI交界面原理圖第十九頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期三圖8氧化物氧化物連接顯微圖第二十頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期三圖9BSI和FSI的封裝圖對比第二十一頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期三3.3BSI與FSI的模擬與實(shí)驗(yàn)對比表1黑白BSI與FSI實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比第二十二頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期三圖10不同光照下的FSI和BSI量效率第二十三頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期三圖11BSI傳感器與模擬傳輸對比第二十四頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期三圖12BSI與FSI調(diào)制轉(zhuǎn)移函數(shù)與光照顏色之間的關(guān)系第二十五頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期三3.4背照式CMOS總結(jié)背照射圖像傳感芯片改進(jìn)了傳統(tǒng)的前照射圖像，傳感芯片的結(jié)構(gòu)把感光像素與金屬電極晶體管分別置放于片的兩面使像素占空比達(dá)到了提高了分辨率縮小了核心尺寸加快了響應(yīng)速度增加了光線采集效率改善了信噪比背照射圖像傳感器的光譜響應(yīng)區(qū)間可延伸到深紫外頻段并能保持高且穩(wěn)定的靈敏度。新型基板材料簡化了背照射圖像傳感芯片的生產(chǎn)工藝提高了良品率降低了制造成本實(shí)現(xiàn)了背照射圖像傳感芯片的大規(guī)模生產(chǎn)背照射圖像傳感器使檢測系統(tǒng)的整體性能都得到了提升將從此逐步取代前照射圖像傳感器成為圖像傳感領(lǐng)域的主流技術(shù)。第二十六頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期三四BCMD混合圖像傳感器4.1提出背景圖13浮柵陣列圖像感器復(fù)位操作圖第二十七頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期三4.2解決方案圖15BCMD圖像傳感器能帶圖第二十八頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期三圖14浮柵陣列圖像傳感器能帶圖第二十九頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期三圖16BCMD的布局第三十頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期三圖17BCMD的制造工藝第三十一頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期三圖18BCMD色彩原理第三十二頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期三4.3BCMD討論以及測試噪音來源：Johnson噪