CMOS在大范围医疗及其他新型图形传感器应用中赢得市场

目前，传统的电荷耦合设备（CCD）图像传感器技术已不能满足工业及专业图像抓取（image capture）应用的需要。基于标准CMOS技术的新型图像传感器技术以其高度灵活性、出色的静态和动态特性以及在各种系统环境下表现出的易集成性在医用电子产品行业中开创出了一个全新领域，为用户提供了更多选择。

从CCD到CMOS：大势所趋
 
在过去三十年左右的时间里，CCD技术一直被用于图像转换。CCD是一种成熟的技术，能够在低噪声的前提下提供优质图像，作为电荷耦合器件在像素间完成图像数据的串行传输。为了达到这个目的，CCD需要数种工作电压、外部时钟发生器以及高级驱动力和分析电子元件，这些都对空间和电能消耗有很高的要求。因此，此类图像传感器在性能特性以及使用的灵活性等方面已不能完全满足当今市场的系统需求。在这种情况下，从CCD图像传感器到CMOS区域传感器的改朝换代已在所难免。
CMOS传感器集各种市场最急需功能于一身：
系统集成度更高
动力要求较低
图像抓取功能更为灵活
界面智能化程度更高
动态范围更大
感光度更高

更高的系统集成度 

随着数字融合技术（即将数种此前彼此独立的功能，如一台小型设备的图像抓取、图像处理以及无线通讯等功能，整合在一起）的发展，市场上对具备自主特性（至少是部分具备自主特性）的子系统的需求越来越多，这种子系统能够在一套产品中提供尽可能多的功能单元。举例来说，在专业测量技术领域，配有具灵活性特点的数码相机、PDA用户界面以及WLAN（无线局域网）连接的便携式检测设备就能够非常有效地扩展光学检测和监控应用的范围。医学图像处理是另外一个图像传感器传统应用领域，其应用包括大格式X射线和各种类型的内窥镜检查，以及符合卫生要求的一次性可吞咽“药丸相机”。CMOS技术为这个领域提供了功能强大的实施平台：CCD图像传感器仍然需要其他技术提供外部逻辑以完成控制和模/数转换功能，CMOS相机芯片则能够以一种技术集图像传感器、控制、转换、分析逻辑以及HF发射器于一身，并在同一片硅片上实现上述所有功能。系统功能的进一步集成使自主光电传感器系统的出现成为可能。目前，这种技术的实施能否成功主要取决于其使用范围以及开发成本和单位产量等基本经济因素。

较低的电源要求 

对于具备成本效益的便携式设备来说，只有当其部件或子系统的电源供应要求较低时，设备的操作才能不受主网络设备的制约。CMOS技术在这一点上占据了明显优势：因为CMOS图像传感器专为电压较低的个人供电电源（约为3.3V至2.5V）设计，而大多数CCD芯片需要多种较高电压供应，如12V等。要满足这种高电压要求，必须首先由可耗散变压器完成发电，这就需要占据宝贵的电路板空间。如果将控制和系统功能集成在CMOS传感器中，则可免除与其他半导体元件进行外部连接的电缆，同时省却了耗电巨大的设备，系统的总体性能将得到改善。与通过电路板或底板与外部进行通讯相比，芯片内通讯只需很小的电能。这一优点还产生了一个令人惊喜的副作用：CMOS图像传感器噪声水平得到了降低。另一方面，由于模/数转换器集成在图像传感器内部，使易产生干扰的模拟信号线无须被发射至外部，使这种产品的抗干扰性能得到改善。与模拟信号相反，数字图像输出信号帮助系统开发者轻松完成功能强大的CMOS相机的集成，而无需关键顶部设备，使其在恶劣环境下也能正常使用。由于冷却的可能性很小，设备（药丸相机）所耗电能有限，其温度则需要与体温相适应，因此药丸相机以及内窥镜等医药和人体内部应用仅需较低的电能。

更灵活的图像抓取功能 

在医药和工业应用中，通常只需要抓取图像的某些特定细节，但由于CCD图像传感器使用串行电荷传输，这种传感器读取的内容包括整个图像——即全画幅内容，而所需细节必需在抓取完成后使用独立的分析电路从整个图像中提取。 

与此相反，CMOS图像传感器的结构与存储阵列类似，这样就可以通过二次取样或选择部分图像区域（取窗）完成个体像素或像素群的寻址和读取操作。 

二次取样可提供分辨率较低（但为帧速率的数倍）的规则取样图案，而取窗功能则可以选取图像的有用区域。窗角坐标通过串行或并行接口传输至CMOS传感器，并在传感器内接受自动处理以控制读取操作。这也是将更多逻辑集成至CMOS传感器的典型情况。由于CCD传感器不适合逻辑电路，因此上述操作对于CCD传感器来说是不可能实现的。

更高的动态范围 

在工业和医药应用中，许多有用的场景都在逆光条件下发生，这就要求传感器拥有较高的动态范围。如果使用线性传感器，其动态范围恰好与信噪比（SNR）相应，而CMOS图像传感器的多斜率操作能够使动态范围得到大幅增加，同时信噪比则保持不变，光强度和输出电压之间的分段线性关系能够清楚地显示出这一结果。整个转换过程带上了明显的非线性特点。 

这样，场景的暗处就能够通过模数转换器可观的转换范围得到扩展：转换特性曲线在此处最陡，以确保高感光度与高对比度（见图1）。在特性曲线上部水准以外的部分，亮部场景的部分过度曝光维度也可得到充分捕捉。这样，我们就有可能得到动态范围高达100dB、模数转换范围为10位的场景图像。

图1.　CMOS图像传感器的结构与存储器类似：部分图像能够以高帧速率被读取
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Vout [V] or ADC range：电压［V］或ADC范围
Bright part of the scene：场景的亮部
Dark part of the scene：场景的暗部
Light intensity axis：光强度轴

感光度得到提高 

图像传感器正朝着感光度更高、曝光时间更短以及像素尺寸更小的趋势向前发展。因此，图像传感器必需充分发挥能够接收到的少量光子的作用。填充因子与量子效应的乘积是衡量像素感光度的关键标准，量子效应能够反映出光子撞击产生的电子数目。几何填充因子即感光像素面积所占的百分比——与CCD传感器不同，CMOS像素并非所有部分都具备“看”的功能。这样，获取高填充因子数就成为CMOS技术发展的关键目标之一。

图2. 多斜率转换确保高动态范围的获取
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Epitaxial layers of p-type Si with increasing concentration：高浓度P型硅外延层
Type photodiodes：光电二极管
Photo-electrons：光电子 

高填充因子能够使大部分在标准CMOS处理中为无源/非感光的硅片表面转变为感光区域。由于光电二极管也可检测出由整个像素表面下的外延层产生的光电子，因此小型像素可以对以任意角度入射且被低水平暗电流区分开的光进行处理（见图2和图3）。

图3. 由多EPI层聚集的光电子可以将感光度提高至近红外（NIR）范围
a. 传感器剖面图
b.　标准EPI和5倍EPI层的光谱特性曲线

发展趋势 

传感器面积缩小代表着一种发展趋势：分辨率为512 x 512像素（每像素尺寸为6m x 6m）的客户定制设计彩色图像传感器BOCA就是这种发展趋势的典型例子。BOCA传感器用于STM Medizintechnik公司的新型一次性结肠镜产品，这种结肠镜可以对第二大最常见的癌症――结肠癌进行诊断。集成时钟发生器与FPN校正使这种传感器的结构非常紧凑，从而使结肠镜的清洁度和用户友好程度都得到提高。

极大型传感器面积代表着另外一种发展趋势。这类传感器可用作操作过程复杂的传统X射线胶片的替代品。利用所谓的拼接技术，CMOS传感器能够以极富成本效益的方式使用8英寸大小的晶圆得到生产，未来还可使用12英寸晶圆。这一技术大大加快了现代医学图像处理的速度，而后者至今还在使用由无定形硅制造的光电二极管阵列。 

传感器的分辨率也在不断提高之中。举例来说，660万像素传感器IBIS4－6600就已作为自动读取设备成功地为视弱患者提供了DIN A4页面分辨率。这种传感器是拥有模拟图像抓取以及片上数字化与信号处理等功能的完整子系统，能够在2.5V供电电压下工作。其2210 x 3002像素传感器阵列以专利的三晶体管N-well像素技术为基础，后者的填充因子尺寸达到3.5 x 3.5m。并行输出转换器的速率为4000万样品/秒，其10位分辨率每秒可传送5个全幅画面。为与标准视频编码器连接，图像传感器在传送10位宽图像数据的同时还可传送图像同步信号、线和像素。 

分辨率为3048 x 4560像素的新型IBIS-14000-M图像传感器系由赛普拉斯公司与总部设在Erfurt的X-Fab共同开发，其分辨率可达1385像素。像素大小为8m * 8m，传感器面积约为全35mm格式。四道模拟输出的帧重复率大于3帧/秒。这种产品支持所有可编程取窗及二次取样运行模式，其光学动态范围被设定为65dB。目前，数家公司正以这种传感器为基础开发各种生物测量应用。 

越来越大的光谱范围正屈服于CMOS图像传感器的征服之下。随着经改进的CMOS技术不断涌现，传感器感光度已经可以扩展至近红外（NIR）范围。正是（多）EPI层以及密度不断增加的P型硅片使这一切成为现实。

前景
 
CMOS图像传感器的市场正在积极发展之中，必将逐步成长为大型市场。通过高分辨率、高帧速率、高感光度、低成本的多标准解决方案，CMOS传感器正在越来越多的应用领域中留下自己的足迹。不过在这一成就背后，更重要的原因在于，客户定制应用的开发推动了特定价值与系统集成的发展，从而使CMOS技术阔步向前。

表格：赛普拉斯公司（FillFactory）生产的标准CMOS图像传感器以及部分客户定制CMOS图像传感器家族