图像信息技术发展动态(1)

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21世纪的人类社会已经跨入信息时代，而且近年来随着电子技术的数字化潮流，信息技术（IT：Information Technology）也进入了全面数字化的新时代，也有称之为后IT时代。

在信息社会，人类所利用的信息种类繁多，如语言、音乐信息、图像信息、指令信息、控制信息、显示信息等等。在这些五花八门的信息中，图像信息是信息量最大的一种，尤其是在数字化以后，即使采用高比例的压缩技术，图像信息的数据量仍然十分庞大。因而要想充分利用图像信息，人们必须在相关信息的获取（传感）、存储、传输、处理、重放、显示以及人对信息的感觉等诸多领域进行研究开发，以期达到预期的实用效果。在数字技术中，与图像信息相比，其它信息，如语言、音乐、指令、控制、显示等等所有信息的总和也不到图像信息的几分之一。因而在按照某种规格编排成的数据包中，只要能放进必需的图像信息，其它信息当然不在话下。因此在数字化时代，IT技术的研究核心就是图像信息技术。而这里所说的图像媒体通常包括存储媒体（磁带、ID卡、光盘、硬盘等）、传输媒体（有线、无线、光传输）、变换媒体（传感、显示、重放等）。

为了适应数字化时代信息市场的需求，近年来世界各大公司的研发机构，在图像信息的传感、显示、重放、传输、编码、处理以及输入输出等方面进行了大量工作，现借《电子世界》一方宝地分期向广大读者介绍各方面的最新进展。

信息传感技术

近年来信息传感技术的发展成果显著。传感器和摄像机等就是典型的代表。

本文就最近二年间信息传感技术的研发动向，依次介绍CCD、CMOS传感器、摄像机、不可见光摄像技术、与传感有关的技术、线性传感技术等。

1.CCD摄像元件

在CCD摄像元件中，静止图像用的CCD摄像元件从300万像素向着400万、600万像素等多像素方向发展，现在500万、600万像素的CCD摄像元件已经商品化了。静止图像用的CCD摄像元件的像素传感，与CCD摄像元件的技术革新一起，也向着小型化方向发展，正在开发像素为3.125μm见方的小型化产品。图像尺寸（对角线长）与增加像素数的同时，有逐渐大型化的趋势。但是，这种图像尺寸的大型化只是暂时的，由于最尖端的图像技术的反馈特征，往往又回到多像素化以前的图像尺寸。

与静止图像用的CCD摄像元件对应的活动图像摄像元件也正在开发。例如，在1/1.7型330万像素蜂窝状CCD摄像元件中，为了使其能适应相当于30fps VGA的活动图像读出，在VCCD和HCCD之间配置了行存储器，并将VCCD改进为13电极，HCCD改进为8相驱动。因为将HCCD做成8个电极，故实现了300万像素FT-CCD的水平方向同色相加。

最近，不仅是小型摄像机，就连APS（高级照相系统）和35mm胶片的单反相机也配置了CCD摄像元件。为了用CCD摄像元件置换单反相机的胶片，在提高CCD摄像元件像素数的同时，还必须解决与胶片相机相比，CCD元件动态范围小的问题。作为一个例子，可以举出APS尺寸600万像素的CCD 摄像元件。这种CCD摄像元件，因为影像就是APS大小，即使增加到600万像素，像素尺寸也可以大到7.8μm见方。另外，动态范围等基本特性也可以提高。

关于活动图像用的CCD摄像元件，过去其技术开发主要是以缩小影像尺寸为目标，但是，最近像素数已经增加到100万像素量级。同静止图像的融合也有进展。例如，装有总像素数155万的CCD摄像元件，可进行97万有效像素的摄像（活动图像），同时又能进行139万有效像素静像摄影的DV摄像机已经商品化了。

监控摄像机必须要有更高的灵敏度和更宽的动态范围。与此相对应，为了提高黑白条件下的灵敏度，必须提高光敏器件在纵深方向的厚度，所谓EXview构造的CCD摄像元件和由于在信号处理上采取措施而扩大了动态范围的Hyper-D方式的监控摄像机已经商品化。另外，将Hyper-D方式应用于民用单板彩色摄像机的场合，图像质量也得到了改进。

最近，带有摄像功能的手机等携带式机器的新市场已建立起来。因携带式机器必须使用低耗电的小型电池，故大多采用CMOS传感器。但是，目前CMOS传感器在灵敏度和S/N方面还不及CCD摄像元件。因此，应当研究如何将比CMOS传感器画质高的CCD用于携带式机器。为了在没有机械快门功能的携带式摄像机和PC摄像机上装入CCD摄像元件，必须要用小型的顺序扫描式CCD摄像元件。因此，开发了1/6型VGA格式顺序扫描式CCD摄像元件。并且为了小型化而采用了薄片级芯片尺寸封装（WL-CSP）。

此外，为了提高帧速率，还开发了多通道并行读出等技术。而且，为了达到更高帧速率，还开发了像素周围记录技术，即对每个像素装入多个存储器，所有像素并行同时记录图像信号。

2.CMOS传感器

最近CMOS图像传感器的性能显著提高，已在广泛领域进行实用化推广。使CMOS传感器的性能得以提高的重要技术，就是埋入型光电二极管的开发，这是日本各制造厂的中心课题，采用这种技术的单反相机用325万像素的元件也正在开发。在一般的3晶体管像素电路中，为了降低噪声，在像素部分的复位动作中采用有源反馈的方法，并提出了降低复位噪声方法的建议。将这种方法应用于4M像素的CMOS图像传感器，就得到了25电子以下的随机噪声水平。另外，在CMOS传感器中为了降低读出噪声，正在研究利用高增益阵列放大器（column amp）的方法。还开发了一种引人注目的方法，即不用滤色器，而在一个像素中，对应RGB 3个波长，用具有最大灵敏度的光电二极管竖向叠置结构形成的CMOS图像传感器，从而使解像度提高。

还开发了有效利用CMOS特征的耗电极小的图像传感器。像素数为176×144，工作电压为单电源1.5V550μW，可以30fps的速率摄像。实现了仅有电源、GND和串行输出3脚的接口。

高速图像传感器的性能也因CMOS化而大大提高。在像素数为4M（2352×1728），能以240fps速率摄像的CMOS图像传感器中，内装的10bit的阵列并行A/D变换器的数据率达到9Gbps。以10bit×16针并行输出。作为最高速的产品，开发了最大1024×1024像素、1000fps、可以分段读出、在512×512像素时能以3800fps速率高速摄像的CMOS图像传感器。作为内装A/D变换器的高速图像传感器，1280×1024像素、500fps的CMOS已经有产品出售。其它的，768×1024像素、1000fps、将像素错开的产品中，有等效解像度相当于1536×1024像素的高速CMOS图像传感器等。

增加像素数的开发工作进展显著。在3.25M像素、适应APS-C（Advanced Photo System-Classic：高级照片系统－典型）的CMOS图像传感器中，采用在像素处埋入光电二极管的办法，可以将60℃时的无光照电流抑制到40pA/cm2，实现270μVrms的随机噪声。电源电压用5V单电源，耗电250mW，这与相同像素数的APS-C用CCD图像传感器相比，仅约相当于其耗电的1/5。在采用CMOS的HDTV用（1936×1086像素）图像传感器中，适应于2/3英寸光学系统，可以进行30Hz的逐行读出和60Hz的隔行读出。内装0～24dB的可编程增益放大器和12bit的A/D变换器。在多像素竞争的意义上，作为像素数最多的CMOS图像传感器，开发了6.6M像素（3170×2120像素）的产品。以检查印刷板为目的，像素间距也大到11.4μm见方，整体大小也达到24×36mm2。

近来发表了集中了多种功能优点的CMOS哭件，有将A/D变换器置于像素内，并能以10000fps以上的速率高速摄像的CMOS图像传感器。在采用0，18 um先进工艺的产品中，已经可以将备有8bit A/D变换器功能的37只晶体管的像素电路放入9.4μm见方的硅片中，图像格式为CIF（352×288）。还试制了在像素内每4帧的模拟存储器具有1bit的 A/D变换器，装入基于光切断法的狭缝光位置检出功能的CMOS图像传感器。用狭缝光的30Hz扫描速度可以实时生成192×124像素的距离图像。还开发了将存储器分离，提高解像度的产品。作为按照立体电视需要进行距离图像测量用的CMOS图像传感器，正在开发在一个芯片上具有2只眼的传感器。设想主要用于印刷板上的元件组装检查。

3.摄像机

（1） 高清晰度摄像机 2000年12月，日本开始了BS（广播卫星）数字广播，高清晰度摄像机在广播领域开始广泛应用。在广播领域，出现了灵敏度较原来提高近1倍的VTR一体型高清晰度摄像机。以前，高清晰度摄像机的灵敏度为2000lx.F8，由于利用层内透镜提高了像素的聚焦度，以及利用数字处理技术提高了增益，现在达到了和SDTV摄像机同等的灵敏度2000lx.F10。另外，为使宇航员能从航天飞机上用高清晰度摄像机拍摄地球，进行了耐放射线CCD的开发研究。正在开发的有为了弄清发生“白色缺陷”的原因和用信号处理方法消去缺陷的装置。

以更高清晰度为目标的产品，采用800万像素（有效像素数：4046×2048）的CCD的3板式摄像实验装置也正在开发中。这种CCD被分割成16个区域，各个区域并行处理信号。这时利用无信号期间的黑基准和取决于参考光的白基准，对各区域间的增益和失调（偏差）成分进行补偿。

（2）其它摄像机 为了创造出以前没有的新的影像，人们正在开发可以获得各种影像信息的各种摄像机。正在试制可同时检出2维图像信息和到被摄物的距离信息，图像获取部分和距离检出部分做成一体的摄像机。还有无须进行复杂的像素运算和光扫描而能同时得到图像及深度信息的摄像机。还了将这样的功能扩展到3维，在CMOS传感器上装有距离检出功能的单片3维视觉传感器。另外，还报告了利用内装存储器型斜行直线CCD能将时间分辨率大大提高的超高速摄像机（100万幅/秒）；为了提高色重现性的多分光摄像机（multy-spectral camera）;在从紫外光到可见光范围内可得到非常狭窄波段光信息的超级分光摄像机（Hyper-spectral camera）；以及使大口径的LL和CCD组合，可实现为通常CCD摄像机3000倍灵敏度的超高灵敏度HDTV摄像机等。

另一方面，适应IT时代，为网络摄像机（network camera）和手机用的CCD摄像机组件等，作为信息终端的传感器、摄像机的开发也很活跃。

（3）摄像管及其摄像机 除了占主流地位的用CCD和CMOS传感器的摄像机外，在要求在低照度下摄影的领域，超高灵敏度摄像管以及采用这种摄像管的摄像机也很活跃。在利用雪崩倍增现象的超高灵敏度新Super-HARP（超级-高增益雪崩型非晶态光电导靶）摄像管中，展示了耐热性优良的新Super-HARP膜结构，以及在强烈的辉光入射时防止膜发生缺陷的工作条件。由此，可以将光电生成的电荷倍增到200倍的超高灵敏度新Super-HARP管，以及适用此种管子的高清晰度新Super-HARP轻便摄像机（65lx.F8）就实用化了。这种摄像机不仅作广播用，还用于医学领域，在用这种摄像机的眼科手术中，可以减轻患者视网膜的负担，一般认为，只用相当于通常光的20%～30%的照明就能进行手术。另外在用于X射线微血管造影系统时，对于早期发现恶性肿瘤和循环系统障碍是有效的。这样，HARP摄像管作为可同时实现超高灵敏度和高画质的摄像器件，起着重要的作用。

以减小体积减轻重量为目标，在HARP膜上组合进电场放电阴极阵列的冷阴极HARP摄像板的研究正在进行。已试制了厚约10mm的像素数128×96的小型摄像板，摄像实验初步证实可得到稳定的图像。

4.不可见光摄像技术

（1）红外线摄像 红外线摄像元件有以辐射热计为代表的热式和QWIP、InSb、MCT等量子式，两种型式都向着改良的方向开展研究。因为热式能在常温下工作，不需要大规模的冷却设备，故可以实现小型、廉价的10μm波段的摄像机。作为辐射热计的材料，在建议的VOx中，达到了0.1K以下的NETD（等效噪声温度差），后来，这种热式产品特别引人注目。当初辐射热计的像素大小为50μm，不过，在以高解像度为目标的640×512像素的摄像元件中已经减小到25μm见方。

以廉价为目标，探索比VOx制造工艺更简单的辐射热计的材料也在进行中。以非晶态硅（α-Si）为辐射热计材料的320×240像素的摄像元件和以YBaCuO为材料的320×240像素的摄像元件都正在开发中。而且，作为辐射热计以外的新的尝试，还有双金属型266×194像素的摄像元件。在量子型摄像元件中，以前的MCT和InSb研究仍在进行。以降低价格为目的，直接将PbTe用异质衬底外延生长法在〈111〉面方向的硅片上生长成的96×128像素的摄像元件也已制成。在QWIP的研究中，10～16μm和宽带的640×512像素的摄像元件正在开发。

从应用方面看，正在开发用红外线读取单色条码的系统。热电堆型传感器也在开发中，应用于汽车后视镜死角内行人警告系统。

（2）X射线摄像 X射线检出图像的方法原来广泛采用成像板，不过因为这种方法用胶片，故也受到制约。因此，正在研究利用CCD等摄像元件的X射线检出技术。其中，有将X射线直接照射到CCD上的直接变换方式，和利用图像倍增器和荧光膜等将X射线变换成可见光的间接变换方式。

在直接变换方式中，α-Se的研究开发原来就很活跃。在需要较大面积的医疗用途方面，有利用α-Si检出X射线的研究、还有利用CdTe单晶的核辐射线检出器的研究，以用于计量γ射线。

在间接变换方式中，图像的数字化正在取代胶片。正在研究的有：测量由X射线范围的偏振现象引起的对比像的X射线偏振显微镜；各放大倍数在10～200倍范围内连续可变、光电面的分辨率为0.5μm的X射线电子显微镜。

在X射线的应用方面，利用大型辐射光设备SPring-8的辐射光的研究也在进行，例如，利用8和11μm的X射线观察微血管肿瘤。

5.与传感相关的技术

（1）材料、装置 在材料和装置方面，具有可实现高灵敏度、高画质的倍增功能的材料，以非晶态硒（α-Se）为主要材料的HARP靶的改良正在积极进行中。而且，为了实现高画质，作为下一代摄像器件的研究，提出了α-Si系的PIN光电二极管等。另外，除倍增功能外还作为具有波长选择功能的光电变换膜，已经了的有硅（Si）纳米晶体膜等。在硅纳米晶体膜中，可以根据硅晶体颗粒的结晶大小改变受光波长，而且，因为是单晶体，故可期待硅晶体具有的电荷倍增效果。还有，作为红外线传感器，将以电场方式从PZT薄膜材料发射出的电子形成图像的研究也正在进行中。

（2）光学系统、摄像机 在光学系统中，与数字摄像机普及的同时，正在开发考虑摄像元件性能的透镜系统。从摄像机的光学功能方面，高画质而且补偿范围出色的光学手振补偿技术的开发也在进行。就透镜本身的高性能化而言，在可见光波长区域实现透镜衍射率均一化的叠层型衍射光学元件的研究工作也在进行中。

从摄像机方面看，除了CCD的高解像度外，更高画质的研究也在热火朝天地进行。特别热衷于研究增大摄像机的动态范围和提高解像度，通过传感器和信号处理的组合来提高画质。

为了实现摄像机的宽动态范围，有将长时间曝光和短时间曝光的光电二极管信号用图像处理方法合成的Hyper-D方式，和将长时间曝光和短时间曝光信号并用的方式，据此开发出也可适用于移动物体的摄像方式。另外，还有在保存照明光局部对比度的条件下压缩动态范围的方法等。

6.与线性传感器有关的技术

利用以彩色扫描仪为代表的线性传感器的图像读取装置，正在向着降低价格、提高解像度和多功能方面发展，正在从办公室普及到个人用途。与此同时，线性传感器的开发也很活跃。

在彩色扫描仪中，最高解像度在近二年间从1200dpi（每英寸点）提高到2400dpi。在2400dpi场合，也同原来一样，用备有3列像素（装有RGB滤波器）的CCD线性传感器，图像缩小成像在传感器上。在2400dpi时，因为各种颜色的像素数增加到1200dpi的2倍，像素排列呈锯齿状，抑制了传感器长度的增大。

紧贴图像在传感器上等倍成像的紧贴型传感器，因为能使读取装置小型化，而被一部分机种所采用。在紧贴型传感器中，在进行提高解像度的工作，这二年间，最高解像度从600dpi提高到1200dpi。传感器中，将8个CCD传感器成直线状排列构成。

在复印机方面，这二年来，数字化也迅速普及，A3原稿600dpi（7500像素）为主流，主要使用黑白或3排的彩色CCD线性传感器。它比扫描仪更要求高速化，以1色20MHz的数据率驱动。作为高速用，已了1通道40MHz、4通道160MHz的传感器。

最近市场的特征是，同时具有扫描仪、传真机、打印机多种功能的所谓“复合机”（MFP：Multifunction Peripheral，多功能外设）正以小规模办公等为中心迅速普及。解像度以600dpi为中心，传感器采用和扫描仪同样的CCD传感器或紧贴型传感器，但速度比扫描用的要高（约10MHz）。在“复合机”或复印机中，也有一部分要求具有同时读取彩色和黑白的功能，因而也有彩色传感器和黑白传感器作成一体的CCD线性传感器。

作为携带信息机器用的传感器，有条码读出器用小型紧贴式传感器组件。但尚未达到普及，今后的市场动向值得关注。

在扫描仪方面，提高解像度的潮流已持续很久（大约到4800dpi左右），与此对应，有必要开发增多像素的技术。读取装置已渐渐不再是扫描仪和复印机发展的障碍，适应复合化的功能大概会成为传感器的研究课题。请继续关注携带信息机器用的小型传感器的开发动向。

7.结束语

以上介绍了从实用化期间的最新技术到面向下一代的基板技术，由此可见有关信息传感技术的研发状况。

在CCD方面，主要是围绕数字摄像机用，展开增加像素数和减小像素尺寸的研究。而在CMOS方面，则是利用埋入的光电二极管来降低噪声，并用于摄像机产品中。CMOS正充分利用其特点，推进在超低耗电、高速、多像素以及功能集成方面的研究。在摄像机领域，正在开发以后高清晰度（post-hivision）为目标的800万像素3板CCD摄像机、超高速摄像机以及超高灵敏度摄像机等。在摄像管摄像机方面正在进行HARP的改良和推广到医疗用。在不可见光摄像技术中，红外线传感器正在开展像素小型化的研究，X射线传感器作为医疗用正在研究用它来代替传统的胶片。关于同传感器相关的技术，作为在材料方面新的动态，可以期待在倍增功能以外还有波长选择功能，现已有Si纳米晶体膜等。在光学摄像技术中，有光学手振补偿技术，将曝光时间不同的光电二极管的信号合成的宽动态化技术，以及利用滤色器的高解像度技术等。在线性传感器方面，提高解像度的工作正在进展，达到2400dpi的彩色扫描仪已经出现。

如上所述，信息传感技术正在继续进步。在广播领域，在高清晰度之后，还提倡2000线、4000线的系统。今后，在这个领域，对高解像度、高灵敏度图像传感器的要求将会更高。另外，从以IT时代为象征的网络摄像机方面来看，器件的智能化会进一步发展。■