1 引言
圖像傳感器是將光信號轉換為電信號的裝置，在數(shù)字電視、可視通信市場中有著廣泛的應用。60年代末期，美國貝爾實臉室發(fā)現(xiàn)電荷通過半導體勢阱發(fā)生轉移的現(xiàn)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技術已比較成熱，得到非常廣泛的應用。但是隨著CCD應用范圍的擴大，其缺點逐漸暴露出來。首先，CCD技術芯片技術工藝復雜，不能與標準工藝兼容。其次，CCD技術芯片需要的電壓功耗大，因此CCD技術芯片價格昂貴且使用不便。目前，最引人注目，最有發(fā)展?jié)摿Φ氖遣捎脴藴实?/span>CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor 互補金屬氧化物場效應管)技術來生產(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，它適合大規(guī)模批量生產(chǎn)，適用于要求小尺寸、低價格、攝像質量無過高要求的應用，如保安用小型、微型相機、手機、計算機網(wǎng)絡視頻會議系統(tǒng)、無線手持式視頻會議系統(tǒng)、條形碼掃描器、傳真機、玩具、生物顯微計數(shù)、某些車用攝像系統(tǒng)等大量商用領域。20世紀80年代，英國愛丁堡大學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(jù)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總線傳輸?shù)綄哪M信號處理單元以及A/D轉換器，轉換成數(shù)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(xiàn)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行放大處理，并且提高信噪比。另外，為了獲得質量合格的實用攝像頭，芯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。為了使芯片中各部分電路按規(guī)定的節(jié)拍動作，必須使用多個時序控制信號。為了便于攝像頭的應用，還要求該芯片能輸出一些時序信號，如同步信號、行起始信號、場起始信號等。
3 象素陣列工作原理
圖像傳感器一個直觀的性能指標就是對圖像的復現(xiàn)的能力。而象素陣列就是直接關系到這一指標的關鍵的功能模塊。按照像素陣列單元結構的不同,可以將像素單元分為無源像素單元PPS(passive pixel schematic)，有源像素單元APS(active pixel schematic)和對數(shù)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，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(tài)”，此時打開門管M。電容被充電至V，二極管處于反向狀態(tài)；
(2) 然后進人“取樣狀態(tài)”。這時關閉門管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)過一個固定時間間隔后，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) 最后進入“讀出狀態(tài)”。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(xiàn)得最早，自出現(xiàn)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(yè)用的CCD級技術芯片其讀出噪聲典型值為20個電子。二，隨著像素個數(shù)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，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&適合于中低檔的應用場合。
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。但它的工藝比較復雜，嚴格說并不能算完全的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，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題
4.1 噪聲
這是影響CMOS傳感器性能的首要問題。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(chǎn)生的原因是一束同樣的光照射到兩個不同的象素上產(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雙采樣技術。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，相關雙采樣需要臨時存儲單元，隨著象素地增加，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、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(chǎn)生電荷，這些電荷產(chǎn)生了暗電流。暗電流與光照產(chǎn)生的電荷很難進行區(qū)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。對于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(chǎn)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(chǎn)生的暗電流大小等于像素單元中的暗電流電子數(shù)的平方根。當長時間的積分單元被采用時，這種類型的噪聲就變成了影響圖像信號質量的主要因素，對于昏暗物體，長時間的積分是必要的，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時間。
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雙采樣克服�，F(xiàn)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
類似于放大器由于線性區(qū)的范圍有限而存在一個輸入上限，對于CMOS圖像傳感芯片來說，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。對于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：對于不含積分功能的像素單元，該上限由流過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，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(qū)域。這有些類似于照片上的曝光過度。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。
5 CMOS圖像傳感器的市場狀況
據(jù)市場調研公司Cahners In-stat Group預測，未來幾年內，基于CMOS圖像傳感器的影像產(chǎn)品將達到50％以上，也就是說，到時CMOS 圖像傳感器將取代CCD而成為市場的主流�？梢�，CMOS攝像機的市場前景非常廣闊 。
今后幾年，全球CMOS圖像傳感器銷售量將迅速增加，并將在許多數(shù)字圖像應用領域向傳統(tǒng)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：一是價格比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系統(tǒng)的成本。盡管過去CMOS圖像傳感器的圖像質量比CCD差且分辨率低，然而經(jīng)過迅速改進，已不斷逼近CCD的技術水平，目前這種傳感器件已廣泛應用于對分辨率要求較低的數(shù)字相機、電子玩具、電視會議和保安系統(tǒng)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(shù)字相機，上市頭兩個月，銷售量就達100萬臺。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(chǎn)品。
6 CMOS圖像傳感器件的應用
6.1 數(shù)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，人們利用高新技術，發(fā)展了不用膠卷的CCD數(shù)碼相機。使傳統(tǒng)的膠卷照相機產(chǎn)生了根本的變化。電可寫可控的廉價FLASH ROM的出現(xiàn)，以及低功耗、低價位的CMOS攝像頭的問世。為數(shù)碼相機打開了新的局面，數(shù)碼相機功能框圖如右下圖所示。 
從圖中可以看出，數(shù)碼相機的內部裝置已經(jīng)和傳統(tǒng)照相機完全不同了，彩色CMOS攝像頭在電子快門的控制下，攝取一幅照片存于DRAM中，然后再轉至FLASH ROM中存放起來。根據(jù)FLASH ROM的容量和圖像數(shù)據(jù)的壓縮水平，可以決定能存照片的張數(shù)。如果將ROM換成PCMCIA卡，就可以通過換卡，擴大數(shù)碼相機的容量，這就像更換膠卷一樣，將數(shù)碼相機的數(shù)字圖像信息轉存至PC機的硬盤中存貯，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(shù)字攝像機
美國Omni Vison公司推出的由OV7610型CMOS彩色數(shù)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，適用于通過通用串行總線傳輸?shù)囊曨l系統(tǒng)。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出現(xiàn)的圖像跳動現(xiàn)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、計算機多媒體和保安監(jiān)控等場合應用。
6.3 其他領域應用
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，因此可進入CCD的應用領域，但它又有自己獨特的優(yōu)點，所以開拓了許多新的應用領域。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(shù)字靜態(tài)攝像機和醫(yī)用小型攝像機等。例如，心臟外科醫(yī)生可以在患者胸部安裝一個小“硅眼”，以便在手術后監(jiān)視手術效果，CCD就很難實現(xiàn)這種應用。
7 總結
以上從與CCD的對比開始，介紹CMOS圖像傳感器器件物理層次的原理、性能、優(yōu)點、不足及應對措施；之后談及了CMOS圖像傳感器的市場狀況以及一些應用領域。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(xiàn)出了極大的優(yōu)勢和潛力，這種潛力將在不久的未來進一步得到發(fā)揮。
