CMOS圖像感測器

CMOS圖像感測器是一種典型的固體成像感測器，與CCD有著共同的歷史淵源。CMOS圖像感測器通常由像敏單元陣列、行驅動器、列驅動器、時序控制邏輯、AD轉換器、數據匯流排輸出接口、控制接口等幾部分組成,這幾部分通常都被集成在同一塊矽片上。其工作過程一般可分為復位、光電轉換、積分、讀出幾部分。

基本介紹

• 中文名：CMOS圖像感測器
• 外文名：CMOS image sensor
• 對象：電路
• 學科：電路
• 工具：轉換器

基本介紹

在CMOS圖像感測器晶片上還可以集成其他數位訊號處理電路，如AD轉換器、自動曝光量控制、非均勻補償、白平衡處理、黑電平控制、伽瑪校正等，為了進行快速計算甚至可以將具有可程式功能的DSP器件與CMOS器件集成在一起，從而組成單片數字相機及圖像處理系統。

1963年Morrison發表了可計算感測器，這是一種可以利用光導效應測定光斑位置的結構，成為CMOS圖像感測器發展的開端。1995年低噪聲的CMOS有源像素感測器單片數字相機獲得成功。

CMOS圖像感測器具有以下幾個優點：1）、隨機視窗讀取能力。隨機視窗讀取操作是CMOS圖像感測器在功能上優於CCD的一個方面，也稱之為感興趣區域選取。此外，CMOS圖像感測器的高集成特性使其很容易實現同時開多個跟蹤視窗的功能。2）、抗輻射能力。總的來說，CMOS圖像感測器潛在的抗輻射性能相對於CCD性能有重要增強。3）、系統複雜程度和可靠性。採用CMOS圖像感測器可以大大地簡化系統硬體結構。4）、非破壞性數據讀出方式。5）、最佳化的曝光控制。值得注意的是，由於在像元結構中集成了多個功能電晶體的原因，CMOS圖像感測器也存在著若干缺點，主要是噪聲和填充率兩個指標。鑒於CMOS圖像感測器相對優越的性能，使得CMOS圖像感測器在各個領域得到了廣泛的套用。

美國高清高速CMOS圖像感測器

DYNAMAX-11：潘納維申影像這顆新的感測器含有的全局電子曝光快門技術，極大地改善了工業成像在室內和室外的套用。這顆新發布的DYNAMAX-11圖像感測器適合用於機器視覺、安防監控、智慧型交通、生命科學、生物醫療、科學影像、高清錄像、電視廣播等工業成像領域。這顆新發布的DYNAMAX-11圖像感測器含有320萬像素，像素大小為5.0?m × 5.0?m。DYNAMAX-11具有以下一些特點：

1：高靈敏度，低噪聲。DYNAMAX-11在捲簾曝光的模式下，可以實現小於4 electrons rms噪聲，在全局曝光的模式下，可以實現小於8 electrons rms噪聲。

2：寬的光譜回響範圍，覆蓋從可見光到紅外。

3： DYNAMAX-11具有快速的輸出能力，可以達到全尺寸3.2M輸出時，60幀/秒，和HDTV1920*1080輸出時，72幀/秒的輸出速度。

4：高動態模式下的動態範圍可達120分貝.

DYNAMAX-11採用了CLCC封裝，非常便於客戶的安裝焊接和結構設計。DYNAMAX-11 適合3/4英寸的光學尺寸。同時，DYNAMAX-11對應高畫質電視格式要求(HDTV,1080i,16:9)，也設計了感興趣區域的2/3英寸的200萬像素光學格式（對角線11毫米）。

DYNAMAX-11彩色和黑白兩種晶片的樣片正提供給PVI的客戶．

基本原理

CMOS圖像感測器基本工作原理

首先，外界光照射像素陣列，發生光電效應，在像素單元內產生相應的電荷。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各自所在列的信號匯流排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現圖像的視窗提取功能。模擬信號處理單元的主要功能是對信號進行放大處理，並且提高信噪比。另外，為了獲得質量合格的實用攝像頭，晶片中必須包含各種控制電路，如曝光時間控制、自動增益控制等。為了使晶片中各部分電路按規定的節拍動作，必須使用多個時序控制信號。為了便於攝像頭的套用，還要求該晶片能輸出一些時序信號，如同步信號、行起始信號、場起始信號等。

象素陣列工作原理

圖像感測器一個直觀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係到這一指標的關鍵的功能模組。按照像素陣列單元結構的不同，可以將像素單元分為無源像素單元PPS(passive pixel schematic)，有源像素單元APS(activepixel schematic)和對數式像素單元，有源像素單元APS又可分為光敏二極體型APS、光柵型APS.

以上各種象素陣列單元各有特點，但是他們有著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。下圖是單個象素的示意圖。

(1)首先進入“復位狀態”,此時打開門管M.電容被充電至V,二極體處於反向狀態;

(2)然後進人“取樣狀態”.這時關閉門管M,在光照下二極體產生光電流，使電容上存貯的電荷放電，經過一個固定時間間隔後，電容C上存留的電荷量就與光照成正比例，這時就將一幅圖像攝入到了敏感元件陣列之中了;

(3)最後進入“讀出狀態”.這時再打開門管M,逐個讀取各像素中電容C上存貯的電荷電壓。

無源像素單元PPS出現得最早，自出現以來結構沒有多大變化。無源像素單元PPS結構簡單，像素填充率高，量子效率比較高，但它有兩個顯著的缺點。一是，它的讀出噪聲比較大，其典型值為20個電子，而商業用的CCD級技術晶片其讀出噪聲典型值為20個電子。二，隨著像素個數的增加，讀出速率加快，於是讀出噪聲變大。

光敏二極體型APS量子效率比較高，由於採用了新的消噪技術，輸出圖形信號質量比以前有許多提高，讀出噪聲一般為75~100個電子，此種結構的C3&適合於中低檔的套用場合。

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個電子。但它的工藝比較複雜，嚴格說並不能算完全的CMOS工藝。由於多晶矽覆蓋層的引入，使其量子效率比較低，尤其對藍光更是如此。就目前看來，其整體性能優勢並不十分突出。

影響性能因素

3.1噪聲

這是影響CMOS感測器性能的首要問題。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。固定圖形噪聲產生的原因是一束同樣的光照射到兩個不同的象素上產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套用雙採樣或相關雙採樣技術。具體地說來有點像在設計模擬放大器時引入差分對來抑制共模噪聲。雙採樣是先讀出光照產生的電荷積分信號，暫存然後對象素單元進行復位，再讀取此象素單元地輸出信號。兩者相減得出圖像信號。兩種採樣均能有效抑制固定圖形噪聲。另外，相關雙採樣需要臨時存儲單元，隨著象素地增加，存儲單元也要增加。

3.2暗電流

物理器件不可能是理想的，如同亞閾值效應一樣，由於雜質、受熱等其他原因的影響，即使沒有光照射到象素，象素單元也會產生電荷，這些電荷產生了暗電流。暗電流與光照產生的電荷很難進行區分。暗電流在像素陣列各處也不完全相同，它會導致固定圖形噪聲。對於含有積分功能的像素單元來說，暗電流所造成的固定圖形噪聲與積分時間成正比。暗電流的產生也是一個隨機過程，它是散彈噪聲的一個來源。因此，熱噪聲元件所產生的暗電流大小等於像素單元中的暗電流電子數的平方根。當長時間的積分單元被採用時，這種類型的噪聲就變成了影響圖像信號質量的主要因素，對於昏暗物體，長時間的積分是必要的，並且像素單元電容容量是有限的，於是暗電流電子的積累限制了積分的最長時間。

為減少暗電流對圖像信號的影響，首先可以採取降溫手段。但是，僅對晶片降溫是遠遠不夠的，由暗電流產生的固定圖形噪聲不能完全通過雙採樣克服。採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。

3.3象素的飽和與溢出模糊

類似於放大器由於線性區的範圍有限而存在一個輸入上限，對於CMOS圖像感測晶片來說，它也有一個輸入的上限。輸入光信號若超過此上限，像素單元將飽和而不能進行光電轉換。對於含有積分功能的像素單元來說，此上限由光電子積分單元的容量大小決定：對於不含積分功能的像素單元，該上限由流過光電二極體或三極體的最大電流決定。在輸入光信號飽和時，溢出模糊就發生了。溢出模糊是由於像素單元的光電子飽和進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。這有些類似於照片上的曝光過度。溢出模糊可通過在像素單元內加入自動泄放管來克服，泄放管可以有效地將過剩電荷排出。但是，這只是限制了溢出，卻不能使象素能真實還原出圖像了。

市場狀況

據市場調研公司Cahners In-stat Group預測，未來幾年內，基於CMOS圖像感測器的影像產品將達到50%以上，也就是說，到時CMOS圖像感測器將取代CCD而成為市場的主流。可見，CMOS攝像機的市場前景非常廣闊.

今後幾年，全球CMOS圖像感測器銷售量將迅速增加，並將在許多數字圖像套用領域向傳統的CCD發起衝擊。這是因為CMOS圖像感測器件具有兩大優點：一是價格比CCD器件低15%~25%;二是其晶片的結構可方便地與其它矽基元器件集成，從而可有效地降低整個系統的成本。儘管過去CMOS圖像感測器的圖像質量比CCD差且解析度低，然而經過迅速改進，已不斷逼近CCD的技術水平，這種感測器件已廣泛套用於對解析度要求較低的數字相機、電子玩具、電視會議和保全系統的攝像結構中。

日本Nintendo有限公司推出的採用CMOS圖像感測器的低解析度數字相機，上市頭兩個月，銷售量就達100萬台。三菱公司、摩托羅拉、惠普、東芝和Intel公司也緊接著上市該類產品。

套用

CMOS圖像感測器件的套用

1.數位相機

人們使用膠捲照相機已經上百年了，20世紀80年代以來，人們利用高新技術，發展了不用膠捲的CCD數位相機。使傳統的膠捲照相機產生了根本的變化。電可寫可控的廉價FLASH ROM的出現，以及低功耗、低價位的CMOS攝像頭的問世。為數位相機打開了新的局面，數位相機功能框圖如右下圖所示。

從圖中可以看出，數位相機的內部裝置已經和傳統照相機完全不同了，彩色CMOS攝像頭在電子快門的控制下，攝取一幅照片存於DRAM中，然後再轉至FLASH ROM中存放起來。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，就可以通過換卡，擴大數位相機的容量，這就像更換膠捲一樣，將數位相機的數字圖像信息轉存至PC機的硬碟中存貯，這就大大方便了照片的存貯、檢索、處理、編輯和傳送。

2.CMOS數字攝像機

美國Omni Vison公司推出的由OV7610型CMOS彩色數字圖像晶片和OV511型高級攝像機以及USB接口晶片所組成的USB攝像機，其解析度高達640 x 480,適用於通過通用串列匯流排傳輸的視頻系統。OV511型高級攝像機的推出，可使得PC機能以更加實時的方法獲取大量視頻信息，其壓縮晶片的壓縮比可以達到7:1,從而保證了圖像感測器到PC機的快速圖像傳輸。對於CIF圖像格式，OV511型可支持高達30幀/秒的傳輸速率、減少了低頻寬套用中通常會出現的圖像跳動現象。OV511型作為高性能的USB接口的控制器，它具有足夠的靈活性，適合包括視頻會議、視頻電子郵件、計算機多媒體和保全監控等場合套用。

3.其他領域套用

CMOS圖像感測器是一種多功能感測器，由於它兼具CCD圖像感測器的性能，因此可進入CCD的套用領域，但它又有自己獨特的優點，所以開拓了許多新的套用領域。除了上述介紹的主要套用之外，CMOS圖像感測器還可套用於數字靜態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小“矽眼”,以便在手術後監視手術效果，CCD就很難實現這種套用。

4.套用於X光機市場

在牙科用X光機市場上，用於從口腔內側給1～2顆牙拍攝X光片的小型CMOS感測器在歐洲已達到實用水平，在美國也在推廣。而在從口腔外側拍攝全景X光片的X光機領域，今後仍將以CCD感測器為主。

總結

以上從與CCD的對比開始，介紹CMOS圖像感測器器件物理層次的原理、性能、優點、不足及應對措施;之後談及了CMOS圖像感測器的市場狀況以及一些套用領域。從中可以看出，作為一種新生的半導體器件，CMOS以其自身的特點表現出了極大的優勢和潛力，這種潛力將在不久的未來進一步得到發揮。