摘 要：主要概述SuperCCD、CMOS圖像傳感器、C3D、APDIS、ARAMIS、FoveonX3全色CMOS圖像傳感器、VMIS、薄膜ASIC圖像傳感器、SeeMOS圖像傳感器等新穎固體圖像傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀。此外，簡單介紹其應(yīng)用市場和主要技術(shù)。

    關(guān)鍵詞：電荷耦合器件；CMOS圖像傳感器；數(shù)碼相機(jī)；數(shù)字?jǐn)z像機(jī)；綜述

　　1 引言

   固體圖像傳感器屬于光電子產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的光電子成像器件。隨著數(shù)碼技術(shù)、半導(dǎo)體器件制造技術(shù)、光電子技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，目前市場和業(yè)界都面臨跨越各平臺的視訊、影音、通訊大整合時(shí)代的到來，勾畫未來人類社會的美景。以其在日常生活中的應(yīng)用而言，無疑要屬數(shù)碼相機(jī)、攝錄一體機(jī)和攝像機(jī)產(chǎn)品，其發(fā)展速度日新月異。短短幾年，數(shù)碼相機(jī)就由幾十萬像素發(fā)展到500萬像素、600萬像素甚至更高。不僅在發(fā)達(dá)的歐美國家數(shù)碼相機(jī)占有很大的市場，就是在發(fā)展中的中國，數(shù)碼相機(jī)的市場也在以驚人的速度增長，因此，其關(guān)鍵器件——固體圖像傳感器已成為當(dāng)前和未來業(yè)界關(guān)注的對象，吸引著眾多廠商。以器件類別區(qū)分，固體圖像傳感器主要分為CCD、CMOS及CIS三種。有關(guān)CCD、CMOS及CIS的發(fā)展?fàn)顩r、典型結(jié)構(gòu)、性能參數(shù)、工作原理及其應(yīng)用等，筆者已作過詳細(xì)介紹[1]～[5]。這里，主要簡單介紹最近幾年發(fā)展起來的固體圖像傳感器的最新發(fā)展現(xiàn)狀、應(yīng)用市場和主要技術(shù)。

　　2 固體圖像傳感器的現(xiàn)狀

　　2.1 超級CCD

    在傳統(tǒng)CCD中，光電二極管是矩形的，其尺寸受到限制。制造商們盡管不斷地增加像素以提高圖像質(zhì)量，同時(shí)縮小像素和光電二極管面積，但是，光吸收的低效率已成為提高感光度、信噪比和動態(tài)范圍的另一個(gè)障礙。

    為了尋求更好的解決方法，日本富士公司的科研人員對人類視覺進(jìn)行了全面的研究，他們得到一個(gè)結(jié)論：像信息的空間頻率和功率都聚集在水平和垂直軸上，最低的功率在45°對角線上。根據(jù)這一理論研究結(jié)果，超級(Super)CCD[6]的像素都按45°角排列，形成蜂窩狀結(jié)構(gòu)�？刂菩盘柾ǖ辣蝗∠�，為光電二極管留出更多的空間。光電二極管是八角形的，非常接近微透鏡的圓形，因此，可以更有效地吸收光。SuperCCD把無助于影像記錄的空間減少到最低限度，感光效率、感光度和信噪比得到提高，動態(tài)范圍得以擴(kuò)大。

    SuperCCD的讀出采用水平跳躍讀出方式，雖然跳躍讀出像素會大大降低視頻圖像質(zhì)量，但是，由于豎直線條讀出速度太慢，傳統(tǒng)CCD還必須在圖像輸出時(shí)采用跳躍讀出方式。而且，傳統(tǒng)CCD水平方向的像素只有兩種顏色，必須讀出兩行數(shù)據(jù)才能形成彩色。SuperCCD的每行像素包含紅、綠、藍(lán)（R、G、B）三種彩色，除了以1/2或其他比率進(jìn)行垂直跳躍讀出外，還可以進(jìn)行水平1/3跳躍讀出，可以獲得高質(zhì)量的視頻輸出。與傳統(tǒng)CCD不同的是SuperCCD的電荷通道更加寬闊，能夠高速傳輸數(shù)據(jù)，因此，只要加簡單的電子快門控制，使得它具有進(jìn)行快速精確連續(xù)拍攝的潛能，所有像素的數(shù)據(jù)即可一次讀出。自1999年第一代SuperCCD問世后，到2003年初已發(fā)展到第四代SuperCCD，用該器件開發(fā)的數(shù)碼相機(jī)的攝像效果已達(dá)到人眼的視覺效果。

　　2.2 CMOS圖像傳感器

    CMOS圖像傳感器的研究始于20世紀(jì)60年代末，由于受當(dāng)時(shí)工藝技術(shù)的限制，直到90年代初才發(fā)展起來，至今已研制出三大類CMOS圖像傳感器[7][[8]，即CMOS無源像素傳感器（簡稱CMOSPPS）、CMOS有源像素傳感器(簡稱CMOSAPS）和CMOS數(shù)字像素傳感器（簡稱CMOSDPS）。在此基礎(chǔ)上又問世了CMOS視覺傳感器、CMOS應(yīng)力傳感器、對數(shù)極性CMOS傳感器、CMOS視網(wǎng)膜傳感器、CMOS凹型傳感器、對數(shù)變換CMOS圖像傳感器、軌對軌CMOS有源像素傳感器、單斜率模式CMOS圖像傳感器和CMOS指紋圖像傳感器、FoveonX3全色CMOS圖像傳感器、VMISCMOS圖像傳感器等。

    CMOS圖像傳感器具有多種讀出模式。整個(gè)陣列逐行掃描讀出是一種普通的讀出模式，這種讀出方式和CCD的讀出方式相似。窗口讀出模式是一種針對窗口內(nèi)像素信息進(jìn)行局部讀出的模式，這種讀出模式提高了讀出效率。跳躍式讀出模式同SuperCCD一樣，以降低分辨率為代價(jià)提高讀出速率，采用每隔一個(gè)或多個(gè)像素讀出的模式。

　　2.3 CMOS圖像傳感器的新技術(shù)——C3D

    C3D（CMOSColorCaptiureDevice）是新一代半導(dǎo)體成像技術(shù)，它不僅提高了像素設(shè)計(jì)技術(shù)[9]，也改進(jìn)了生產(chǎn)工藝。采用0.25μmCMOS工藝生產(chǎn)的這種CMOS圖像傳感器，可以在保全性能的前提下增加晶體管的數(shù)量和填充系數(shù)。除了增加像素設(shè)計(jì)的選擇方案外，還可實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜的功能和更低的功耗。在速度方面也有很大的優(yōu)勢。

    對于設(shè)計(jì)人員而言，為了最大限度地提高產(chǎn)品質(zhì)量，設(shè)計(jì)時(shí)合適的權(quán)衡取舍是至關(guān)重要的。就圖像傳感器而言，量