数码照相设备中感光元件技术的发展

数码照相设备中感光元件技术的发展摘要：随着市场对于消费级数码照相设备的成像质量的要求越来越高，数码照相设备的技术不停歇地高速发展。感光元件是决定成像质量至关重要的一环，不断地技术革新以满足消费者更高的需求。手机和数码相机作为市场上最常用的数码照相设备，其感官元件一般都是采用CCD或者CMOS。关键词：数码照相设备，感官元件，CCD，CMOSDevelopmentofphotosensitiveelementindigitalphotographicequipmentXueJunAbstract:Withtherequirementsoftheimagequalityimproveshigherandhigherfortheconsumer-leveldigitalphotographyequipment,thetechnologyofthedigitalphotographyequipmentdoesnotstopthehigh-speeddevelopment.Thephotosensitiveelementisthekeyoftheimagequality,itinnovateswithoutstoptomeetthehigherdemandforconsumer.Asthemostcommonlyuseddigitalphotographicequipment,theMobilephonesanddigitalcamerastakeCCDorCMOSastheirphotosensitiveelement.Keywords：digitalphotographyequipment,photosensitiveelement,CCD,CMOS1.引言感光元件是数码相机的核心，也是最关键的技术。数码相机的发展道路，可以说就是感光元件的发展道路。感光材料的革新推动着摄影技术和摄影器材的重大变革[1]。数码相机的核心成像部件有两种：一种是广泛使用的CCD(ChargeCoupledDevice)元件；另一种是CMOS(ComplementaryMetal-OxideSemiconductor)器件。该论文主要介绍这两种感光元件的成像原理和技术发展，并对两种感光元件的特点进行比较，以及介绍了CMOS感光元件的前沿技术。图1感光元件2.CCD和CMOS的成像原理CCD即电荷耦合元件，是一种感光半导体芯片，被集成在半导体单晶材料上，能够将光学影像转化为数字信号。CCD的工作原理如图2所示，CCD完成曝光后光子通过元件转换成电子电荷包，点荷包顺寻转移到共同的输出端，通过输出放大器将大小不同的点荷包(对应不同强弱的光信号)转换成电压信号，缓冲并输出到芯片外的信号处理电路。图2.CCD工作原理图CMOS即互补性金属氧气物半导体芯片，也是一种感光半导体芯片。其每个单元电路中含有两个互补的晶体管：N型金属氧化物半导体（NMOS）和P型金属氧化物半导体（PMOS）。CMOS的工作原理如图3所示。光子转换为电子后直接在每个像元中完成电子电荷-电压的转换。图3.CMOS工作原理图3.感光元件的发展CCD的发展CCD是70年代初发展起来的新型半导体光电成像器件。由美国贝尔实验室的W.S.Boyle和G.E.Smith于1970年提出[2]。由于CCD可以再较大面积上非常有效、均匀地收集和转移所产生的电荷并低噪声地测量，因此，在过去20年CCD技术一直是可见光子探测和图像捕捉的主要技术[3]。20世纪90年代CCD主要是将拜尔滤镜装在CCD上，将红色和蓝色过滤掉，使每个像素都接受到感光信号，成像较为丰满。九十年代末，为了跟随对照相设备越来越轻便的要求，CCD的单位面积也越来越小，1989年开发的微小镜片技术，已经无法再提升感亮度，如果将CCD组件内部放大器的放大倍率提升，将会使杂讯也被提高，画质会受到明显的影响。索尼将以前使用微小镜片的技术改良，提升光利用率，开发将镜片的形状最优化技术，即索尼SUPERHADCCD技术。基本上是以提升光利用效率来提升感亮度的设计，这也为日前的CCD基本技术奠定了基础。同时期3CCD技术开始被使用，其由三片CCD和分光棱镜组成的系统能将颜色分得更好，分光棱镜能把入射光分析成红、蓝、绿三种光色，由三片CCD各自负责其中一种光色的成像，解决了以前颜色不均匀的问题。进入21世纪对于CCD的研究也更加深入，如索尼公司推出了一种四色CCD，在2003首次应用于数码相机中。还有超级CCD的提出，也是CCD研究上的创新。CMOS的发展早期的CMOS是一块单独的芯片，其发展要比CCD来的晚一些。传统的CMOS的在灵敏度、信噪比和成像质量上要弱于CCD，但是其制作工艺简单，功耗低，制作成本低的特点使其在移动手机上得到广泛的应用，但是其在数码照相机上始终占有率不高。直到2008年，这一年对于CMOS的整个发展来说是具有历史意义的，在2008年的6月，索尼公司发布了背照式CMOS，并冠以ExmorR名称，并且把这个背照式CMOS应用在索尼XR500/XR520两款DV产品上。随后在2009年的8月，所以发布了首次使用背照式CMOS的两款数码相机索尼TX1和索尼WX1。从此，背照式CMOS迅速发展，并且随后多家厂商也都在数码相机中采用了索尼公司生产的背照式CMOS。现在很多手机上也开始使用索尼公司推出的ExmorRCMOS的感光元件。比如苹果、索尼、HTC等等。4.CCD和CMOS的比较CCD和CMOS之间的主要差异是数据传送的方式不同。CCD传感器中每一行中每一个像素的电荷数据都会依次传送到下一个像素中，由最底端部分输出，再经由传感器边缘的放大器进行放大输出；而在CMOS传感器中，每个像素都会邻接一个放大器及A/D转换电路，用类似内存电路的方式将数据输出。CCD相比于CMOS具有更好的成像质量和灵活性。在高端摄影技术领域得到最广泛的应用，如天文观察、卫星成像和广播电视、高分辨率数字图片和高性能工业摄像等领域[4]。但是CCD的制作工艺复杂，目前只有索尼、飞利普、柯达、松下、富士、夏普六大厂商有能力生产CCD。CMOS是为了克服CCD生产工艺复杂、功耗较大、价格高、不能单片集成等不足之处而研制出的一种新型的图像传感器[5]。其成像质量尤其是在低亮度的环境与系统的灵活性与CCD相比要明显逊色。但是其功耗低、摄像系统尺寸小，可将信号处理电路与CMOS图像传感器集成在一个芯片等优点使其适合大规模批量生产，适用于小尺寸、低价格、摄像质量要求不高的设备上。表1CCD与CMOS图像传感器的特点比较6.CMOS前沿技术的介绍背照式CMOS感光元件所谓背照式CMOS传感器就是将它掉转方向，让光线首先进入感光二极管，从而增大感光量，显著提高低光照条件下的拍摄效果。最早是由索尼公司在2008年提出，将其命名为ExmorR。ExmorRCMOS背面照明技术感光元件，改善了传统CMOS感光元件的感光度。ExmorRCMOS采用了和普通方法相反、向没有布线层的一面照射光线的背面照射技术，由于不受金属线路和晶体管的阻碍，开口率（光电转换部分在一个像素中所占的面积比例）可提高至近100%。并且在灵敏度上比之传统CMOS也显著提高。从2008年开始，各大厂商都开始逐渐把背照式CMOS使用在不同的数码相机产品上。图4索尼ExmorRCMOS的图片处理过程ExmorRSCMOS感光元件2012年索尼公司提出的新一代的CMOS技术，并命名为ExmorRSCMOS。ExmorRSCMOS的原理是，它使用有信号处理电路的芯片替代了原来背照CMOS图像传感器的支持基板，在芯片上重叠形成背照CMOS元件的像素部分，从而实现了在较小的芯片尺寸上形成大量像素点的工艺。由于像素部分和电路部分分别独立，因此像素部分可针对高画质优化，电路部分可针对高性能优化。ExmorRSCMOS是在背照式的基础上，再把信号处理电路芯片放到后面去，做成堆栈式的设计，兼具了背照式和堆栈式设计结构。这种感光元件已在OPPOFind5手机和索尼L36H手机上得到应用。参考文献：[1]杨屹.认清数码照相机的感光传感器-CCD、CMOS.硅谷，2009年第24期[2]何玉青，陈永飞，张忠廉.数码相机图像传感器技术.光学技术,2003.01第29卷第1期，59.[3]SeitzP.Solid-stateimagesensing[M].York:AcademicPress,2000.165-222.[4]熊平.CCD与CMOS图像传感器特点比较.半导体光电，2004年第1期[5]宋勇，郝群，王涌天，王占和.CMOS图像传感器与CCD的比较及发展现状.仪器仪表学报，2001年第23期增刊