摘要：尼康公司的d2h單反數(shù)字相機(jī)中使用了一種新型的固體圖像傳感器lbcast jfet。該器件在讀數(shù)方式、內(nèi)部結(jié)構(gòu)等方面有了較大改進(jìn)，與ccd、cmos圖像傳感器比較具有瞬時(shí)啟動(dòng)、高靈敏度、高分辨率、低能耗、成品率高和低噪聲等特色。

    關(guān)鍵詞：lbcast jfet 圖像傳感器 x-y尋址 像素開關(guān) 顏色分離 噪聲

    引言

    在2003年底以前，固體圖像傳感器還分為ccd型和cmos型，但是2003年底日本的尼康公司改寫了這個(gè)歷史，在其2003年7月發(fā)布的d2h鏡頭轉(zhuǎn)換式反單數(shù)字相機(jī)中使用了一種新型的固體lbcast jfet圖像傳感器（lateral buried charge accumulator and sensing transistor array junction field effect transistor）�？梢哉f是ccd與cmos技術(shù)優(yōu)勢(shì)融合的產(chǎn)物，充分體現(xiàn)了cmos低耗電量和ccd高速數(shù)據(jù)讀取的優(yōu)勢(shì)，尺寸為23.3mm×15.5mm，對(duì)角線長(zhǎng)28.4mm，總像素?cái)?shù)為426萬（2560×1664），有效像素?cái)?shù)為410萬，像素間隔為9.4μm。

    1 jfet和mosfet

    場(chǎng)效應(yīng)管主要有結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管（jfet）和絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管（igfet，由于其柵極為金屬鋁故通常又稱為mosfet），具有輸入阻抗高、噪聲低、功耗低、熱穩(wěn)定性高、抗輻射能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。它們的區(qū)別在于導(dǎo)電機(jī)構(gòu)和電流控制原理根本不同，jfet是利用耗盡區(qū)的寬度變化來改變導(dǎo)電溝道的寬窄以控制漏極電流；mosfet則是用半導(dǎo)體表面的電場(chǎng)效應(yīng)、電感應(yīng)電荷的多少去改變導(dǎo)電溝來控制電流。它們性質(zhì)的差異是：jfet往往運(yùn)用在功放輸入級(jí)（前級(jí)），mosfet則用在功放末級(jí)（輸出級(jí)）。但是在有些工作條件下，mosfet的輸入電阻不夠高，難以滿足要求，而且在高溫工作時(shí)，因pn結(jié)反向電流增大，其阻值會(huì)顯著下降，漏極電流也較大。

    2 lbcast jfet的特點(diǎn)

    在追求高帶寬、低功耗的圖像傳感器競(jìng)爭(zhēng)中，cmos圖像傳感器在設(shè)計(jì)中展現(xiàn)出比ccd更優(yōu)勢(shì)的特點(diǎn)：尺寸小、系統(tǒng)成本低，在確何產(chǎn)品品質(zhì)的前提下功耗也低。但噪聲成為cmos成功路上最大的障礙，將導(dǎo)致圖像質(zhì)量的下降。這也是噪聲問題必須得以解決的原因之一。而lbcast jfet有著眾多優(yōu)點(diǎn)，這除了與放大器采用jfet有關(guān)外，還與其內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作特點(diǎn)有關(guān)。

    2．1 lbcast jfet的讀數(shù)方式

    目前ccd和cmos常用的讀數(shù)方式：順序電荷轉(zhuǎn)移方式與x-y導(dǎo)址和傳輸方式。圖1（a）為傳統(tǒng)interline ccd圖像傳感器通常采用的順序電荷轉(zhuǎn)移方式由光信號(hào)轉(zhuǎn)換成的電信號(hào)首先被傳送到列轉(zhuǎn)移寄存器，最后再輸出到圖像處理單元，因此速度受到限制。此外從理論上講，由于順序電荷轉(zhuǎn)移方式需要連續(xù)、高速的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換寄存器，這就需要較多的電功率。圖1（b）為cmos圖像傳感器通常使用的x-y尋址和傳輸方式，在這種方式中，每一個(gè)像素都有自己的放大器，通過列掃描和行掃描來傳遞信號(hào)，并輸出給圖像處理單元。它有獨(dú)立的數(shù)據(jù)傳輸線路，因此能達(dá)到很高的速度，但是如果仔細(xì)觀察其輸出圖像，就能夠發(fā)現(xiàn)在分開的線上容易出現(xiàn)圖像失真。

    jfet圖像傳感器亦采用x-y尋址和傳輸方式，數(shù)據(jù)通過兩條信號(hào)線按不同的顏色讀出，這樣一來讀取圖像的速度更快，同時(shí)具有可以隨意提取高密度像素?cái)?shù)據(jù)的優(yōu)點(diǎn)。jfet圖像傳感器的數(shù)據(jù)分配線用顏色的方法（綠、藍(lán)和紅）代替了用區(qū)域的方式，在提高操作速度的同時(shí)也提高了圖像質(zhì)量，解決了輸出圖像在分開的線上容易再現(xiàn)失真這一問題。

    jfet圖像傳感器根據(jù)顏色分離信號(hào)源；所有的綠色信號(hào)通過一條線輸出，而所有的藍(lán)色和紅色信號(hào)通過另外一條線輸出，這樣可以使圖像不受輸出放大器波動(dòng)的影響，確保了圖像質(zhì)量。由于人眼對(duì)綠色特別敏感，因此綠色信號(hào)線只處理綠色信號(hào)，而且在圖像銳化和設(shè)置圖像對(duì)比度的綠色也特別重要。在讀第一行數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)用列左邊的數(shù)據(jù)線（上面輸出g信號(hào)，下面輸出b信號(hào)），再接著讀第二行數(shù)據(jù)，此時(shí)應(yīng)用列右邊的數(shù)據(jù)線（上面輸出g信號(hào)，下面輸出r信號(hào)），依次繼續(xù)進(jìn)行（圖2），那么可以看到r：g：b比率是1：2：1，通常彩色濾波器的比率也是基于這個(gè)原理設(shè)計(jì)的。

    2．2 jfet的功能

    lbcast jfet中提取像素?cái)?shù)據(jù)的晶體管是jfet，且每個(gè)像素中都包含一對(duì)電荷積累部分（即感光元件）與檢測(cè)放大用的jfet晶體管，可實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)和放大。而cmos圖像傳感器中的放大器是mosfet放大器。在照相機(jī)快