擴展光譜靈敏度和提高分辨率是大趨勢

　　在現(xiàn)代CMOS圖像傳感器中，一個重要的發(fā)展趨勢是其光譜靈敏度擴展到了近紅外區(qū)NIR（至約1，100nm的波長）。配備了IM-001 CMOS圖像傳感器的汽車應(yīng)用將改善霧穿透力和夜視能力。由于工業(yè)圖像捕獲技術(shù)開始運用更多波長位于NIR之中的光源，而且生物技術(shù)也在利用該光譜區(qū)域中的有趣現(xiàn)象，因此，新開發(fā)的IBIS 5-AE-1300傳感器具有700～900nm的NIR靈敏度。

　　在面向消費應(yīng)用的圖像捕獲技術(shù)中，另一個發(fā)展趨勢是繼續(xù)提高分辨率。到2005年年中，70%左右的手機相機已具有VGA格式分辨率（640×480像素）；但隨后的2006年，幾百萬像素的傳感器就將占領(lǐng)50%的市場份額，而到2008年，其市場占有率預(yù)計將進(jìn)一步攀升至90%以上。為此，賽普拉斯公司開發(fā)了一種用于蜂窩電話的300萬像素圖像傳感器，該產(chǎn)品采用了Autobrite技術(shù)，可進(jìn)行12位模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換，并提供了72dB的寬廣動態(tài)范圍，而目前市面上的10位模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器的動態(tài)范圍僅為60dB。逐行掃描模式中的幀速率高達(dá)30幀/秒，因而可錄制實況視頻節(jié)目。

　　在工業(yè)和商業(yè)領(lǐng)域中，這種發(fā)展趨勢也很明顯：賽普拉斯已推出一款用于Kodak數(shù)碼相機的1，300萬像素/35mm圖像傳感器，另外，660萬像素的IBIS 4-6600傳感器正在一種面向弱視人群的自動閱讀輔助裝置中證明自己的卓越品質(zhì)－－它可在一幅完整的標(biāo)準(zhǔn)A4頁面上提供出色的分辨率。

　　憑借技術(shù)實現(xiàn)系統(tǒng)集成 由于蜂窩電話、數(shù)碼相機、MP3播放機和PDA等傳統(tǒng)分離型功能設(shè)備的加速數(shù)字融合（即成為一部緊湊的消費型電子產(chǎn)品），導(dǎo)致人們越來越希望至少具有部分自主性的子系統(tǒng)能夠在一部設(shè)備中提供極為寬泛的功能。這種趨勢還將對專業(yè)測量技術(shù)產(chǎn)生影響：利用包含一個數(shù)碼相機、PDA用戶接口和WLAN聯(lián)網(wǎng)能力的便攜式檢驗工具，光測試和監(jiān)視的應(yīng)用范圍將得到有效的拓展。作為一種平臺技術(shù)，CMOS符合這一發(fā)展潮流：CCD圖像轉(zhuǎn)換器仍然需要采用外部邏輯電路來實現(xiàn)控制和模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換功能，而CMOS標(biāo)準(zhǔn)邏輯器件則能夠把傳感器、控制器、轉(zhuǎn)換器和評估邏輯電路等全部集成到一塊芯片之中。

　　一個典型的例子如專門針對要求苛刻的消費應(yīng)用而制作的CYIWCSC1300AA芯片的圖像捕獲電路。它基于130萬像素圖像傳感器CYIWOSC1300AA 和一個用于提供誤差插補、黑電平調(diào)整、透鏡校正、信號互串校正、彩色馬賽克修補、彩色校正、自動曝光、噪聲抑制、特效和γ校正等等諸多功能的附加信號處理器。集成更多的系統(tǒng)功能（一直到自主型光電傳感器系統(tǒng)）是可行的，這主要取決于諸如市場容量和開發(fā)成本等經(jīng)濟目標(biāo)和限制因素。

　　IMS Research公司的資深市場分析家John Morse指出：“工業(yè)圖像處理市場的變化非?？欤还馐窃诩夹g(shù)層面上，而且還涉及近期發(fā)生的制造商合并事件。我們認(rèn)為這種趨勢還將繼續(xù)下去。”果真如此，那么這同樣適用于賽普拉斯公司：通過收購MIT（美國麻省理工學(xué)院）于1999年成立的SMal Camera Technologies公司，賽普拉斯已將其業(yè)務(wù)觸角延伸到了消費和汽車領(lǐng)域；而兼并FillFactory（這是一家于1999年從總部位于比利時Leuven的著名歐洲微電子和納米技術(shù)研究中心IMEC抽資脫離而成的公司）則使賽普拉斯進(jìn)一步躋身工業(yè)領(lǐng)域。

　　CMOS圖像傳感器市場正在蓬勃發(fā)展之中，即將成為一個大規(guī)模市場。它在很大程度上仍然依賴于客戶專用設(shè)計來滿足規(guī)格和系統(tǒng)集成方面的一組定制要求。不過，它將越來越多地提供通用的標(biāo)準(zhǔn)解決方案。分辨率、幀速率和靈敏度的提高以及成本的下降正使其應(yīng)用領(lǐng)域不斷地擴大。要的一環(huán)。

　　像素結(jié)構(gòu)

　　CMOS傳感器按為像素結(jié)構(gòu)分被動式與主動式兩種。

　　被動式像素結(jié)構(gòu)

　　被動式像素結(jié)構(gòu)（Passive Pixel Sensor.簡稱PPS），又叫無源式。它由一個反向偏置的光敏二極管和一個開關(guān)管構(gòu)成。光敏二極管本質(zhì)上是一個由P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體組成的PN結(jié)，它可等效為一個反向偏置的二極管和一個MOS電容并聯(lián)。當(dāng)開關(guān)管開啟時，光敏二極管與垂直的列線（Column bus）連通。位于列線末端的電荷積分放大器讀出電路（Charge integrating amplifier）保持列線電壓為一常數(shù)，當(dāng)光敏二極管存貯的信號電荷被讀出時，其電壓被復(fù)位到列線電壓水平，與此同時，與光信號成正比的電荷由電荷積分放大器轉(zhuǎn)換為電荷輸出。

　　主動式像素結(jié)構(gòu)

　　主動式像素結(jié)構(gòu)（Active Pixel Sensor.簡稱APS），又叫有源式，如圖2所示。 幾乎在CMOS PPS像素結(jié)構(gòu)發(fā)明的同時，人們很快認(rèn)識到在像素內(nèi)引入緩沖器或放大器可以改善像素的性能，在CMOS APS中每一像素內(nèi)都有自己的放大器。集成在表面的放大晶體管減少了像素元件的有效表面積，降低了“封裝密度”，使40%～50%的入射光被反射。這種傳感器的另一個問題是，如何使傳感器的多通道放大器之間有較好的匹配，這可以通過降低殘余水平的固定圖形噪聲較好地實現(xiàn)。由于CMOS APS像素內(nèi)的每個放大器僅在此讀出期間被激發(fā)，所以CMOS APS的功耗比CCD圖像傳感器的還小。

　　填充因數(shù)與量子效率

　　這填充因數(shù)（Fill Factor），又叫充滿因數(shù)，它指像素上的光電二極管相對于像素表面的大小。量子效率（Quantun efficiency）是指一個像素被光子撞擊后實際和理論最大值電子數(shù)的歸一化值。被動式像素結(jié)構(gòu)的電荷填充因數(shù)通常可達(dá)到70%，因此量子效率高。但光電二極管積累的電荷通常很小，很易受到雜波干擾。再說像素內(nèi)部又沒有信號放大器，只依賴垂直總線終端放大器，因而讀出的信號雜波很大，其S/N比低，更因不同位置的像素雜波大小不一樣（固定圖形噪波FPN）而影響整個圖像的質(zhì)量。而主動性像素結(jié)構(gòu)與被動式相比，它在每個像素處增加了一個放大器，可以將光電二極管積累的電荷轉(zhuǎn)換成電壓進(jìn)行放大，大大提高了S/N比，從而提高了傳輸過程中抗干擾的能力。但由于放大器占據(jù)了過多的像素面積，因而它的填充因數(shù)相對較低，一般在25%-35%之間。