1 引言
圖像傳感器是將光信號轉換為電信號的裝置，在數字電視、可視通信市場(chǎng)中有著(zhù)廣泛的應用。60年代末期，美國貝爾實(shí)臉室發(fā)現電荷通過(guò)半導體勢阱發(fā)生轉移的現象，提出了固態(tài)成像這一新概念和一維CCD(Charge-Coupled Device 電荷耦合器件)模型器件。到90年代初，CCD技術(shù)已比較成熱，得到非常廣泛的應用。但是隨著(zhù)CCD應用范圍的擴大，其缺點(diǎn)逐漸暴露出來(lái)。首先，CCD技術(shù)芯片技術(shù)工藝復雜，不能與標準工藝兼容。其次，CCD技術(shù)芯片需要的電壓功耗大，因此CCD技術(shù)芯片價(jià)格昂貴且使用不便。目前，最引人注目，最有發(fā)展潛力的是采用標準的CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor 互補金屬氧化物場(chǎng)效應管)技術(shù)來(lái)生產(chǎn)圖像傳感器，即CMOS圖像傳感器。CMOS圖像傳感器芯片采用了CMOS工藝，可將圖像采集單元和信號處理單元集成到同一塊芯片上。由于具有上述特點(diǎn)，它適合大規模批量生產(chǎn)，適用于要求小尺寸、低價(jià)格、攝像質(zhì)量無(wú)過(guò)高要求的應用，如保安用小型、微型相機、手機、計算機網(wǎng)絡(luò )視頻會(huì )議系統、無(wú)線(xiàn)手持式視頻會(huì )議系統、條形碼掃描器、傳真機、玩具、生物顯微計數、某些車(chē)用攝像系統等大量商用領(lǐng)域。20世紀80年代，英國愛(ài)丁堡大學(xué)成功地制造出了世界上第一塊單片CMOS圖像傳感器件。目前，CMOS圖像傳感器正在得到廣泛的應用，具有很強地市場(chǎng)競爭力和廣闊地發(fā)展前景。
2 CMOS圖像傳感器基本工作原理
右圖為CMOS圖像傳感器的功能框圖。
首先，外界光照射像素陣列，發(fā)生光電效應，在像素單元內產(chǎn)生相應的電荷。行選擇邏輯單元根據需要，選通相應的行像素單元。行像素單元內的圖像信號通過(guò)各自所在列的信號總線(xiàn)傳輸到對應的模擬信號處理單元以及A/D轉換器，轉換成數字圖像信號輸出。其中的行選擇邏輯單元可以對像素陣列逐行掃描也可隔行掃描。行選擇邏輯單元與列選擇邏輯單元配合使用可以實(shí)現圖像的窗口提取功能。模擬信號處理單元的主要功能是對信號進(jìn)行放大處理，并且提高信噪比。另外，為了獲得質(zhì)量合格的實(shí)用攝像頭，芯片中必須包含各種控制電路，如曝光時(shí)間控制、自動(dòng)增益控制等。為了使芯片中各部分電路按規定的節拍動(dòng)作，必須使用多個(gè)時(shí)序控制信號。為了便于攝像頭的應用，還要求該芯片能輸出一些時(shí)序信號，如同步信號、行起始信號、場(chǎng)起始信號等。
3 象素陣列工作原理
圖像傳感器一個(gè)直觀(guān)的性能指標就是對圖像的復現的能力。而象素陣列就是直接關(guān)系到這一指標的關(guān)鍵的功能模塊。按照像素陣列單元結構的不同,可以將像素單元分為無(wú)源像素單元PPS(passive pixel schematic)，有源像素單元APS(active pixel schematic)和對數式像素單元，有源像素單元APS又可分為光敏二極管型APS、光柵型APS。
以上各種象素陣列單元各有特點(diǎn)，但是他們有著(zhù)基本相同的工作原理。以下先介紹它們基本的工作原理，再介紹各種象素單元的特點(diǎn)。下圖是單個(gè)象素的示意圖。
(1) 首先進(jìn)入“復位狀態(tài)”，此時(shí)打開(kāi)門(mén)管M。電容被充電至V，二極管處于反向狀態(tài)；
(2) 然后進(jìn)人“取樣狀態(tài)”。這時(shí)關(guān)閉門(mén)管M,在光照下二極管產(chǎn)生光電流，使電容上存貯的電荷放電，經(jīng)過(guò)一個(gè)固定時(shí)間間隔后，電容C上存留的電荷量就與光照成正比例，這時(shí)就將一幅圖像攝入到了敏感元件陣列之中了；
(3) 最后進(jìn)入“讀出狀態(tài)”。這時(shí)再打開(kāi)門(mén)管M,逐個(gè)讀取各像素中電容C上存貯的電荷電壓。
無(wú)源像素單元PPS出現得最早，自出現以來(lái)結構沒(méi)有多大變化。無(wú)源像素單元PPS結構簡(jiǎn)單，像素填充率高，量子效率比較高，但它有兩個(gè)顯著(zhù)的缺點(diǎn)。一是，它的讀出噪聲比較大，其典型值為20個(gè)電子，而商業(yè)用的CCD級技術(shù)芯片其讀出噪聲典型值為20個(gè)電子。二，隨著(zhù)像素個(gè)數的增加，讀出速率加快，于是讀出噪聲變大。
光敏二極管型APS量子效率比較高，由于采用了新的消噪技術(shù)，輸出圖形信號質(zhì)量比以前有許多提高，讀出噪聲一般為75～100個(gè)電子,此種結構的C3&適合于中低檔的應用場(chǎng)合。
在光柵型APS結構中，固定圖形噪聲得到了抑制。其讀出噪聲為10～20個(gè)電子。但它的工藝比較復雜，嚴格說(shuō)并不能算完全的CMOS工藝。由于多晶硅覆蓋層的引入，使其量子效率比較低，尤其對藍光更是如此。就目前看來(lái)，其整體性能優(yōu)勢并不十分突出。
4 影響CMOS傳感器性能的主要問(wèn)題
4.1 噪聲
這是影響CMOS傳感器性能的首要問(wèn)題。這種噪聲包括固定圖形噪聲FPN（Fixed pattern noise）、暗電流噪聲、熱噪聲等。固定圖形噪聲產(chǎn)生的原因是一束同樣的光照射到兩個(gè)不同的象素上產(chǎn)生的輸出信號不完全相同。噪聲正是這樣被引入的。對付固定圖形噪聲可以應用雙采樣或相關(guān)雙采樣技術(shù)。具體地說(shuō)來(lái)有點(diǎn)像在設計模擬放大器時(shí)引入差分對來(lái)抑制共模噪聲。雙采樣是先讀出光照產(chǎn)生的電荷積分信號，暫存然后對象素單元進(jìn)行復位，再讀取此象素單元地輸出信號。兩者相減得出圖像信號。兩種采樣均能有效抑制固定圖形噪聲。另外，相關(guān)雙采樣需要臨時(shí)存儲單元，隨著(zhù)象素地增加，存儲單元也要增加。
4.2 暗電流
物理器件不可能是理想的，如同亞閾值效應一樣，由于雜質(zhì)、受熱等其他原因的影響，即使沒(méi)有光照射到象素，象素單元也會(huì )產(chǎn)生電荷，這些電荷產(chǎn)生了暗電流。暗電流與光照產(chǎn)生的電荷很難進(jìn)行區分。暗電流在像素陣列各處也不完全相同，它會(huì )導致固定圖形噪聲。對于含有積分功能的像素單元來(lái)說(shuō)，暗電流所造成的固定圖形噪聲與積分時(shí)間成正比。暗電流的產(chǎn)生也是一個(gè)隨機過(guò)程，它是散彈噪聲的一個(gè)來(lái)源。因此，熱噪聲元件所產(chǎn)生的暗電流大小等于像素單元中的暗電流電子數的平方根。當長(cháng)時(shí)間的積分單元被采用時(shí)，這種類(lèi)型的噪聲就變成了影響圖像信號質(zhì)量的主要因素，對于昏暗物體，長(cháng)時(shí)間的積分是必要的，并且像素單元電容容量是有限的，于是暗電流電子的積累限制了積分的最長(cháng)時(shí)間。
為減少暗電流對圖像信號的影響，首先可以采取降溫手段。但是，僅對芯片降溫是遠遠不夠的，由暗電流產(chǎn)生的固定圖形噪聲不能完全通過(guò)雙采樣克服�，F在采用的有效的方法是從已獲得的圖像信號中減去參考暗電流信號。
4.3 象素的飽和與溢出模糊
類(lèi)似于放大器由于線(xiàn)性區的范圍有限而存在一個(gè)輸入上限，對于CMOS圖像傳感芯片來(lái)說(shuō)，它也有一個(gè)輸入的上限。輸入光信號若超過(guò)此上限，像素單元將飽和而不能進(jìn)行光電轉換。對于含有積分功能的像素單元來(lái)說(shuō)，此上限由光電子積分單元的容量大小決定：對于不含積分功能的像素單元，該上限由流過(guò)光電二極管或三極管的最大電流決定。在輸入光信號飽和時(shí)，溢出模糊就發(fā)生了。溢出模糊是由于像素單元的光電子飽和進(jìn)而流出到鄰近的像素單元上。溢出模糊反映到圖像上就是一片特別亮的區域。這有些類(lèi)似于照片上的曝光過(guò)度。溢出模糊可通過(guò)在像素單元內加入自動(dòng)泄放管來(lái)克服，泄放管可以有效地將過(guò)剩電荷排出。但是，這只是限制了溢出，卻不能使象素能真實(shí)還原出圖像了。
5 CMOS圖像傳感器的市場(chǎng)狀況
據市場(chǎng)調研公司Cahners In-stat Group預測，未來(lái)幾年內，基于CMOS圖像傳感器的影像產(chǎn)品將達到50％以上，也就是說(shuō)，到時(shí)CMOS 圖像傳感器將取代CCD而成為市場(chǎng)的主流�？梢�(jiàn)，CMOS攝像機的市場(chǎng)前景非常廣闊 。
今后幾年，全球CMOS圖像傳感器銷(xiāo)售量將迅速增加，并將在許多數字圖像應用領(lǐng)域向傳統的CCD發(fā)起沖擊。這是因為CMOS圖像傳感器件具有兩大優(yōu)點(diǎn)：一是價(jià)格比CCD 器件低15%~25%；二是其芯片的結構可方便地與其它硅基元器件集成，從而可有效地降低整個(gè)系統的成本。盡管過(guò)去CMOS圖像傳感器的圖像質(zhì)量比CCD差且分辨率低，然而經(jīng)過(guò)迅速改進(jìn)，已不斷逼近CCD的技術(shù)水平，目前這種傳感器件已廣泛應用于對分辨率要求較低的數字相機、電子玩具、電視會(huì )議和保安系統的攝像結構中。
日本Nintendo有限公司推出的采用CMOS圖像傳感器的低分辨率數字相機，上市頭兩個(gè)月，銷(xiāo)售量就達100萬(wàn)臺。三菱公司、摩托羅拉、惠普、東芝和Intel公司也緊接著(zhù)上市該類(lèi)產(chǎn)品。
6 CMOS圖像傳感器件的應用
6.1 數碼相機
人們使用膠卷照相機已經(jīng)上百年了，20世紀80年代以來(lái)，人們利用高新技術(shù)，發(fā)展了不用膠卷的CCD數碼相機。使傳統的膠卷照相機產(chǎn)生了根本的變化。電可寫(xiě)可控的廉價(jià)FLASH ROM的出現，以及低功耗、低價(jià)位的CMOS攝像頭的問(wèn)世。為數碼相機打開(kāi)了新的局面，數碼相機功能框圖如右下圖所示。 
從圖中可以看出，數碼相機的內部裝置已經(jīng)和傳統照相機完全不同了，彩色CMOS攝像頭在電子快門(mén)的控制下，攝取一幅照片存于DRAM中，然后再轉至FLASH ROM中存放起來(lái)。根據FLASH ROM的容量和圖像數據的壓縮水平，可以決定能存照片的張數。如果將ROM換成PCMCIA卡，就可以通過(guò)換卡，擴大數碼相機的容量，這就像更換膠卷一樣，將數碼相機的數字圖像信息轉存至PC機的硬盤(pán)中存貯，這就大大方便了照片的存貯、檢索、處理、編輯和傳送。
6.2 CMOS數字攝像機
美國Omni Vison公司推出的由OV7610型CMOS彩色數字圖像芯片和OV511型高級攝像機以及USB接口芯片所組成的USB攝像機，其分辨率高達640 x 480，適用于通過(guò)通用串行總線(xiàn)傳輸的視頻系統。OV511型高級攝像機的推出，可使得PC機能以更加實(shí)時(shí)的方法獲取大量視頻信息，其壓縮芯片的壓縮比可以達到7:1，從而保證了圖像傳感器到PC機的快速圖像傳輸。對于CIF圖像格式，OV511型可支持高達30幀/秒的傳輸速率、減少了低帶寬應用中通常會(huì )出現的圖像跳動(dòng)現象。OV511型作為高性能的USB接口的控制器，它具有足夠的靈活性，適合包括視頻會(huì )議、視頻電子郵件、計算機多媒體和保安監控等場(chǎng)合應用。
6.3 其他領(lǐng)域應用
CMOS圖像傳感器是一種多功能傳感器，由于它兼具CCD圖像傳感器的性能，因此可進(jìn)入CCD的應用領(lǐng)域，但它又有自己獨特的優(yōu)點(diǎn)，所以開(kāi)拓了許多新的應用領(lǐng)域。除了上述介紹的主要應用之外，CMOS圖像傳感器還可應用于數字靜態(tài)攝像機和醫用小型攝像機等。例如，心臟外科醫生可以在患者胸部安裝一個(gè)小“硅眼”，以便在手術(shù)后監視手術(shù)效果，CCD就很難實(shí)現這種應用。
7 總結
以上從與CCD的對比開(kāi)始，介紹CMOS圖像傳感器器件物理層次的原理、性能、優(yōu)點(diǎn)、不足及應對措施；之后談及了CMOS圖像傳感器的市場(chǎng)狀況以及一些應用領(lǐng)域。從中可以看出，作為一種新生的半導體器件，CMOS以其自身的特點(diǎn)表現出了極大的優(yōu)勢和潛力，這種潛力將在不久的未來(lái)進(jìn)一步得到發(fā)揮。
