一种新型的LBCAST JFET摄像机

    随着光电技术及其相关科学技术的发展，固体图像传感器及其摄像机也得到快速的发展。在2003年底以前，固体图像传感器还分为CCD型和CMOS型，但是日本的尼康公司在2003年7月发布的D2H镜头转换式反单数字摄像机中，使用了一种新型的固体LBCAST JFET图像传感器（Lateral Buried Charge Accumulator and Sensing Transistor array Junction Field Effect Transistor）。这种新型的固体图像传感器的尺寸为23.3mm×15.5mm，对角线长28.4mm，像素间隔为9.4μm，总像素数为426万（2560×1664），有效像素数为410万。 

    在追求高带宽、低功耗的图像传感器竞争中，CMOS图像传感器展现出比CCD更优势的特点：尺寸小、功耗低、系统成本低，但噪声导致其图像质量的下降。而LBCAST JFET与CCD、CMOS图像传感器比较，具有瞬时启动、高灵敏度、高分辨率、低能耗、成品率高和低噪声等特色。充分体现了CMOS低耗电量和CCD图像质量的优势，是CCD与CMOS技术优势融合的产物。LBCAST JFET有着众多的优点，除了放大器采用JFET外，还与其内部结构及工作特点有关，即在读数方式、内部结构等方面有了较大改进。下面根据相关资料，专门编辑介绍一下这种LBCAST JFET的功能、读数方式及其内部的结构特点。 

    JFET与CCD、CMOS摄像器件读数方式的比较 

    CCD和CMOS常用的读数方式是顺序电荷转移方式与X-Y寻址和传输方式，如图1所示。图1（a）为传统Interline CCD图像传感器通常采用的顺序电荷转移方式，当将光信号转换成电信号后，首先被传送到列转移寄存器，最后再输出到图像处理单元，因此其速度受到限制。此外，由于顺序电荷转移方式需要连续、高速的驱动转换寄存器，因而需要较多的电功率。图1（b）为CMOS图像传感器通常使用的X-Y寻址和传输方式，在这种方式中，每一个像素都有自己的放大器，它通过列扫描和行扫描来传递信号，并输出给图像处理单元。由于它有独立的数据传输线路，因此能达到很高的速度，但仔细观察其输出图像，不难发现，在分开的线上容易出现图像失真。 

    JFET图像传感器亦采用X-Y寻址和传输方式，但其数据通过两条信号线按不同的颜色读出，如图2所示。这样，读取图像的速度更快，且同时具有可随意提取高密度像素数据的优点。JFET图像传感器的数据分配线用颜色的方法（绿、蓝和红）代替了用区域的方式，在提高操作速度的同时也提高了图像质量，从而解决了输出图像在分开的线上容易再现失真这一问题。 

    JFET图像传感器根据颜色分离信号源，所有的绿色信号通过一条线输出，而所有的蓝色和红色信号通过另外一条线输出，这就可使图像不受输出放大器波动的影响，从而确保了图像质量。由于人眼对绿色特别敏感，因此绿色信号线只处理绿色信号，而且在图像锐化和设置图像对比度的绿色也特别重要。在读第一行数据时，应用列左边的数据线（上面输出G信号，下面输出B信号），再接着读第二行数据，此时应用列右边的数据线（上面输出G信号，下面输出R信号），依次继续进行（见图2）。由此可见，R：G：B比率是1：2：1，通常彩色滤波器的比率也是基于这个原理设计的。 

    LBCAST JFET的功能 

    一般，场效应管具有输入阻抗高、噪声低、功耗低、热稳定性高、抗辐射能力强等优点。而场效应管有结型场效应管（JFET）和绝缘栅型场效应管（IGFET，由于其栅极为金属铝故通常又称为MOSFET）两类。它们的区别，在于导电机构和电流控制原理不同，JFET是利用耗尽区的宽度变化，来改变导电沟道的宽窄以控制漏极电流；而MOSFET则是用半导体表面的电场效应、电感应电荷的多少，去改变导电沟来控制电流。 

    JFET往往运用在功放输入级（即前级），而MOSFET则用在功放末级（即输出级）。但在有些工作条件下，MOSFET的输入电阻不够高，难以满足要求，而且在高温工作时，因PN结反向电流增大，其阻值会显著下降，漏极电流也就较大。 

    在LBCAST JFET中，提取像素数据的晶体管是JFET，并且每个像素中都包含一对电荷积累部分（即感光元件）与检测放大用的JFET晶体管，可实现光电转换、存储和放大。而CMOS图像传感器中的放大器，则是MOSFET放大器。在照相机快门关闭时光接收结束，用于转移的MOSFET栅极打开，同时所有存储的电荷被转移到JFET栅极。 

    此外，JFET栅极就相当于量杯，通过JFET可以读出有多少光电荷被转移到这个“杯子”中。JFET栅极电压，随着从光电二极管转移来的电荷而升高。此时，JFET使得信号电压相应升高，并将其作为列信号线读取的数据输出。在图像信号读出以后，JFET栅极会送电荷给MOSFET使其复位，这样就可以控制JFET栅极的开与关。因此，JFET的功能就好比是像素开关，当需要读取信号时将其闭合即可。与CMOS图像传感器相比，JFET的路径简化很多，这样就使得速度极大提高、可靠性增强、次品率降低。 

    LBCAST JFET的内部结构特点 

    在LBCAST JFET中，由于电荷积累部分采用横向嵌入方式，因此JFET成为夹在Gate（开关）当中的通道构造，成为理想的增幅放大元件。和CMOS图像传感器相比，它具有更高的灵敏度和更低的噪声。首先，对于一个给定的信号，LBCAST使用量杯虽然较小，但却提供了一个比较大的电压增量和高的分辨率。其次，在CMOS图像传感器中，信号是经过沟道到硅的表面；而在LBCAST中，信号的传输是通过内部沟道，因此大噪声几乎降低到以前水平的1/3，同时暗电流特别小，可以有效地抑制暗噪声。 

    此外，LBCAST JFET的像素信号是双通道同时提取，因而可实现高速处理。在结构方面，LBCAST摄像像素的布线构造，比CMOS少一个金属层，同时布线密度也比较低，层间连接孔也比较少。因此，它实现了结构简单、制造故障少、成品率高等目标。 

    JFET传感器像素选择开关由3个晶体管组成：转移、JFET和复位。而CMOS传感器则由4个晶体管组成，第4个晶体管用做像素选择。因此，LBCAST比CMOS的结构简单，效率较高，并且因为单位面积的光电二极管可以增加，也就提高了其功能性，其内部连线（包括非透明层）结构也很简单，适合于一个多晶硅层和2个材料层，但CMOS却有四层。 

    显然，需要的层数越少，光电二极管与微透镜的距离就越短。LBCCAST传感器还通过BPD（Burie d PhotoDiode）、内部FPN（Fixed Pattern Noise）等技术，有效地降低了暗光线下拍摄的图像噪声。它类似于CMOS的双通道读取方式，可提高数据读出速率，非常贴近光敏单元的微透镜，在提高光效率的同时还有效改善了画面中央和边角的一致性。 

    目前，LBCAST JFET图像传感器的主要目标是重视“速度”，它的总像素并非很高，仅有400万。因此，Nikon公司将采用LBCAST JFET图像传感器的D2H摄像机，定位于新闻报道与体育摄影等方面。 

    LBCAST和CMOS相比，具有更高灵敏度和低噪声效果，同时，由于它结构简单、制造故障少、成品率高，因此可以采用与CMOS相同的制造工艺，预计将来制造成本可以大幅度降低，因而其应用前景十分看好。 

    小结 

    由上述介绍可以看出，LBCAST JFET图像传感器，无论从读数方式、内部结构与功能特点方面，均比CCD与CMOS图像传感器要优越。即具有瞬时启动、高灵敏度、高分辨率、低能耗、成品率高和低噪声等特点。预计将来制造成本可以大幅度降低，因而LBCAST JFET图像传感器制作的固体摄像机，必将有着广阔的应用前景。