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CMOS图像传感器积极拓展医疗等新兴应用
  ◆ CMOS图像传感器积极拓展医疗等新兴应用
发布:Admin 日期:2006/1/5 阅读:2746 次  

   
来源:国际电子商情
CMOS图像传感器目前占领了面积较大、频谱范围较宽和动态范围较高的领域,为电子图像捕捉技术创造了新的应用领域。传统的CCD图像传感器技术已不再满足工业和专业领域的图像捕捉需求,基于标准CMOS技术的创新性图像传感器,以令人瞩目的灵活性、优异的静止和动态特点以及在各类系统环境中的易集成性,为医疗电子中的新颖应用提供了可行的替代性解决方案。
 
赛普拉斯的300万像素图像传感
器积极拓展新兴应用。
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
从CCD到CMOS的发展趋势
在过去30年里,CCD一直被用于图像传感和捕捉。作为一项成熟的技术,它以较低的噪声提供良好的图像质量。作为电荷耦合器件,它们连续地把图像数据从一个像素传送到另一个像素。为此,它们需要几个工作电压、外部时钟生成器和精密的驱动及选择电路,需要占用较大电路板空间和消耗较多的功率。因此,使用这类图像传感器无论是从性能特点还是灵活性方面考虑都不再满足目前的系统需求。从CCD图像传感器到CMOS区域传感器的产品换代已进行了一段时间,CMOS区域传感器具有以下几个好的特点:更好的系统集成性、较低的功率需求、更灵活的图像捕捉、更智能的接口、更大的动态范围和较高的灵敏度。
更好的系统集成性
随着数字技术融合的进展,即把图像捕捉、图像处理和无线通讯等以前的分力功能集成到一个紧凑型器件之中,市场对于这种具有部分完整功能的“自治子系统”的需求不断增长。这类子系统在一个封装中提供尽可能多的功能单元。例如,在专业测量技术中,具有灵活的数码相机、PDA用户接口和WLAN连接的便携测试设备,非常有效地扩大了光学检查和监控任务的范围。
医疗图像处理是图像传感器的另一个传统应用领域,从大型X线到所有的内窥镜检查方法,一直到可吞咽的“药丸式相机”。CMOS技术提供了一个非常有用的执行平台:虽然CCD图像传感器仍然需要其它外部逻辑技术以实现控制和模拟/数字转换,但CMOS相机芯片允许图像传感器、控制器件、转换器和选择逻辑,以及HF发射机以同一种技术实现,因而可以放置在同一个硅片表面。把更多的系统功能集成到一个“自治的”光电传感器系统之中是可能的,主要取决于计划使用的范围和基本经济条件,如开发成本和单位数量等。
较低的功率需求
便携式设备并不依赖电网供电,因此只有当其元件和子系统的功率需求较低时才能正常工作。CMOS技术在这方面显然具有更多的优势,因为CMOS图像传感器面向3.3V或2.5V左右的较低的单电源电压,而多数CCD芯片要求多个较高的电源电压,如高达12V的电压。这些电压必须利用比较耗电的变压器来生成,而且变压器还占用电路板上的宝贵空间。如果控制和系统功能集成到CMOS传感器之中,总体性能会更好,因为消除与其它半导体元件相连的外部接线也能省掉它们功耗较大的驱动器:在芯片内部进行的通讯与在芯片外部通过电路板或基板实现的通讯相比,需要的功率要少得多。
此外,采用CMOS图像传感器还能带来一个极受欢迎的“副产品”,即低噪声发射,而且它们的噪声绝缘性非常高,因为模拟/数字转换器都集成在图像传感器的内部,意味着容易出现干扰的模拟信号线就不必在外面经过。另外,数字图像输出信号使系统集成商更容易以较低的成本集成功能强大的CMOS相机,这也使其能够用于恶劣的环境之中。例如,医疗、药丸式相机和内窥镜等体内应用需要非常低的功率,因为向外散热的可能性有限,尤其对于药丸式相机,其外表温度需要与体温一致。
更灵活的图像捕捉
在医疗和工业应用中,人们需要的常常是图像中的一个具体细节,但由于CCD图像传感器的连续电荷传送,只能读出全部图像内容——一个完整的帧。然后再利用一个选择电路从整个图像中把需要的部分提取出来。另一方面,CMOS图像传感器的结构象一个存储阵列,以便能够通过二次取样,或者通过选择部分图像区域(开窗口),访问或者读出单个像素或像素群。
二次取样提供了一个具有较低分辨率的常规取样模式,开窗口功能允许选择图像的有用部分。窗口四角的坐标通过一个串行或并行接口发送到CMOS传感器,并在那里得到自动处理,以控制读出操作。这也是一个把额外的逻辑集成到CMOS传感器之中的典型例子,这对于CCD是不可能的,因为它采用的技术不适合逻辑电路。
较高的动态范围
工业和医药方面许多有趣的情景都出现在逆光条件下,因此要求图像传感器具有较高的动态范围。虽然线性传感器的动态范围正好与信噪比(SNR)成比例,但CMOS图像传感器的多斜率操作使得动态范围得到大幅提高,而SNR仍然不变。光亮度与输出电压之间的分段线性关系显示了这点,这导致整个转换范围内具有非线性特点。
因此,场景的较暗部分扩展到模拟/数字转换器的转换范围的较大部分:转换特征曲线在此处变得最陡,确保了高灵敏度和对比度。通过使特征曲线的上部变得水平,明亮区域中感光过度的一些部分也能充分捕获。这样,在10位A/D转换范围上就可能获得动态范围高达100dB的图像。
灵敏度提高
图像传感器趋向于更高的灵敏度、更短的曝光时间和更小的像素。因此图像传感器必须充分利用所接收到的少量光子。填充因数和量子效率的乘积是评价像素灵敏度的关键指标,量子效率表示光子产生的电子数量。几何填充因数是光敏像素区域所占的百分比,因为,与CCD传感器不同,CMOS像素的所有部分不是都能“看到”。因此,获得高填充因数是主要目标之一。
高填充因数把硅片表面的大部分区域转化成光敏区域。在标准的CMOS工艺中,硅片表面是不活动的/不是感光性的。少量像素处理以任何角度射入的光线,具有较低的暗电流。这是可能的,因为光电二极管也探测在整个像素表面下方的外延层上产生的光电子。
目前趋势与展望
一个趋势是传感器面积趋于缩小。典型的例子是,定制设计的彩****像传感器BOCA具有512×512像素,用于配备STM Medizintechnik公司的结肠镜。集成式时钟生成和FPN校正使结构非常紧凑,促进了这种高度卫生和病人友好的内窥镜概念的形成。另一个趋势是扩大传感器面积,以替代制作X线胶片的传统的复杂过程。通过所谓的开关技术,能够以较低的成本在8英寸晶圆上产生CMOS图像传感器,将来也可以在12英寸晶圆上进行生产,这将加快现代医疗图像处理方法的发展。直到现在,医疗图像处理还在使用非晶硅制造的光电二极管阵列。
其次一个趋势就是分辨率还在不断提高。例如,660万像素传感器IBIS4-6600用于面向视觉受损者的自动阅读装置,具有DIN A4页面的良好分辨率。这种传感器是由模拟图像捕捉、数字化和信号处理组成的完整子系统,使用的电源电压为2.5V。它的2,210×3,002像素传感器阵列基于获得专利的3晶体管单元,该单元作为N-well像素,具有3.5×3.5m尺寸的填充因数。速度为每秒采样4,000万次,10位分辨率的并行输出转换器每秒提供五个完整的图像。为了连接到标准视频解码器,该图像传感器在提供10位宽度的图像数据的同时,也为图像、线和像素提供同步信号。
新型IBIS4-14000-M图像传感器是与基于Erfurt的X-Fab一起开发的,分辨率为1,385万像素,全部像素可以实现相当于完整的35mm格式的传感器面积。通过四个模拟输出,帧重复率高于每秒三帧。它支持任何可编程开窗口和二次取样操作模式,它的光学动态范围是65dB。基于这种传感器,多家公司正在开发各种生物测定应用。
CMOS图像传感器正在占领越来越大的市场。利用获得改进的CMOS技术,灵敏性可以扩展到近红外(NIR)范围。CMOS图像传感器市场正在迅猛地发展成大量市场,部分是通过通用的标准解决方案。这些解决方案具有较高的分辨率和帧速率,以及更高的灵敏性和较低的成本,正在被用于越来越广泛的应用之中。同时,具有特殊特征值和系统集成的定制开发也在推动该市场的增长。
作者:赛普拉斯半导体图像传感器事业部高级总监 Lou Hermans