CMOS传感器

于CCD传感器区别

　　由两种感光器件的工作原理可以看出，CCD(电荷藕合器件图像传感器：Charge Coupled Device），它的优势在于成像质量好，但是由于制造工艺复杂，只有少数的厂商能够掌握，所以导致制造成本居高不下，特别是大型CCD，价格非常高昂。 在相同分辨率下，CMOS(互补性氧化金属半导体：Complementary Metal-Oxide Semiconductor）价格比CCD便宜，但是CMOS器件产生的图像质量相比CCD来说要低一些。到目前为止，市面上绝大多数的消费级别以及高端数码相机都使用CCD作为感应器；CMOS感应器则作为低端产品应用于一些摄像头上，若有哪家摄像头厂商生产的摄像头使用CCD感应器，厂商一定会不遗余力地以其作为卖点大肆宣传，甚至冠以“数码相机”之名。一时间，是否具有CCD感应器变成了人们判断数码相机档次的标准之一。

　　CMOS针对CCD最主要的优势就是非常省电，不像由二极管组成的CCD，CMOS 电路几乎没有静态电量消耗，只有在电路接通时才有电量的消耗。这就使得CMOS的耗电量只有普通CCD的1/3左右，这有助于改善人们心目中数码相机是"电老虎"的不良印象。CMOS主要问题是在处理快速变化的影像时，由于电流变化过于频繁而过热。暗电流抑制得好就问题不大，如果抑制得不好就十分容易出现杂点。

　　此外，CMOS与CCD的图像数据扫描方法有很大的差别。例如，如果分辨率为300万像素，那么CCD传感器可连续扫描300万个电荷，扫描的方法非常简单，就好像把水桶从一个人传给另一个人，并且只有在一个数据扫描完成之后才能将信号放大。CMOS传感器的每个像素都有一个将电荷转化为电子信号的放大器。因此，CMOS传感器可以在每个像素基础上进行信号放大，采用这种方法可节省任何无效的传输操作，所以只需少量能量消耗就可以进行快速数据扫描，同时噪音也有所降低。这就是佳能的像素内电荷完全转送技术。

　　感光器件的概念及工作原理

　　CCD使用一种高感光度的半导体材料制成，能把光线转变成电荷，通过模数转换器芯片转换成数字信号，数字信号经过压缩以后由相机内部的闪速存储器或内置硬盘卡保存，因而可以轻而易举地把数据传输给计算机，并借助于计算机的处理手段，根据需要和想像来修改图像。CCD由许多感光单位组成，通常以百万像素为单位。当CCD表面受到光线照射时，每个感光单位会将电荷反映在组件上，所有的感光单位所产生的信号加在一起，就构成了一幅完整的画面。

　　CCD

　　CCD和传统底片相比，CCD 更接近于人眼对视觉的工作方式。只不过，人眼的视网膜是由负责光强度感应的杆细胞和色彩感应的锥细胞，分工合作组成视觉感应。 CCD经过长达35年的发展，大致的形状和运作方式都已经定型。CCD 的组成主要是由一个类似马赛克的网格、聚光镜片以及垫于下的电子线路矩阵所组成。目前有能力生产 CCD 的公司分别为：SONY、Philips、Kodak、Matsushita、Fuji和Sharp，大半是日本厂商。

　　目前主要有两种类型的CCD光敏元件，分别是线性CCD和矩阵性CCD。线性CCD用于高分辨率的静态照相机，它每次只拍摄图象的一条线，这与平板扫描仪扫描照片的方法相同。这种CCD精度高，速度慢，无法用来拍摄移动的物体，也无法使用闪光灯。

　　矩阵式CCD，它的每一个光敏元件代表图象中的一个像素，当快门打开时，整个图象一次同时曝光。通常矩阵式CCD用来处理色彩的方法有两种。一种是将彩色滤镜嵌在CCD矩阵中，相近的像素使用不同颜色的滤镜。典型的有G-R-G-B和C-Y-G-M两种排列方式。这两种排列方式成像的原理都是一样的。在记录照片的过程中，相机内部的微处理器从每个像素获得信号，将相邻的四个点合成为一个像素点。该方法允许瞬间曝光，微处理器能运算地非常快。这就是大多数数码相机CCD的成像原理。因为不是同点合成，其中包含着数学计算，因此这种CCD的缺陷是所产生的图象总是无法达到如刀刻般的锐利。

　　CMOS

　　CMOS和CCD一样同为在数码相机中可记录光线变化的半导体。CMOS的制造技术和一般计算机芯片没什么差别，主要是利用硅和锗这两种元素所做成的半导体，使其在CMOS上共存着带N（带–电） 和 P（带+电）级的半导体，这两个互补效应所产生的电流即可被处理芯片纪录和解读成影像。然而，CMOS的缺点就是太容易出现杂点, 这主要是因为早期的设计使CMOS在处理快速变化的影像时，由于电流变化过于频繁而会产生过热的现象。

　　除了CCD和CMOS之外，还有富士公司推出的SUPER CCD，SUPER CCD并没有采用常规正方形二极管，而是使用了一种八边形的二极管，像素是以蜂窝状形式排列，并且单位像素的面积要比传统的CCD大。将像素旋转45度排列的结果是可以缩小对图像拍摄无用的多余空间，光线集中的效率比较高，效率增加之后使感光性、信噪比和动态范围都有所提高。

　　传统CCD中的每个像素由一个二极管、控制信号路径和电量传输路径组成。SUPER CCD采用蜂窝状的八边二极管，原有的控制信号路径被取消了，只需要一个方向的电量传输路径即可，感光二极管就有更多的空间。SUPER CCD在排列结构上比普通CCD要紧密，此外像素的利用率较高，也就是说在同一尺寸下，SUPER CCD的感光二极管对光线的吸收程度也比较高，使感光度、信噪比和动态范围都有所提高。

　　那为什么SUPER CCD的输出像素会比有效像素高呢？我们知道CCD对绿色不很敏感，因此是以G－B－R－G来合成。各个合成的像素点实际上有一部分真实像素点是共用，因此图象质量与理想状态有一定差距，这就是为什么一些高端级数码相机使用3CCD分别感受RGB三色光的原因。而SUPER CCD通过改变像素之间的排列关系，做到了R、G、B像素相当，在合成像素时也是以三个为一组。因此传统CCD是四个合成一个像素点，其实只要三个就行了，浪费了一个，而SUPER CCD就发现了这一点，只用三个就能合成一个像素点。也就是说，CCD每4个点合成一个像素，每个点计算4次；SUPER CCD每3个点合成一个像素，每个点也是计算4次，因此SUPER CCD像素的利用率较传统CCD高，生成的像素就多了

　　CCD的特色在于充分保持信号在传输时不失真（专属通道设计），透过每一个像素集合至单一放大器上再做统一处理，可以保持资料的完整性；CMOS的制程较简单，没有专属通道的设计，因此必须先行放大再整合各个像素的资料。

　　1.ISO 感光度差异： 相同像素下，同样大小之感光器尺寸，CMOS的感光度会低于CCD。

　　2.解析度差异：CCD感光器的解析度通常会优于CMOS。

　　3.噪点差异：CMOS的早点会比ccd多一点

　　4.耗电量差异：ccd的耗电量要更小一些

　　尽管 CCD 在影像品质等各方面均优于CMOS，但不可否认的CMOS具有低成本、低耗电以及高整合度的特性。 由于数码影像的需求热烈，CMOS的低成本和稳定供货，成为厂商的，也因此其制造技术不断地改良更新，使得 CCD 与 CMOS 两者的差异逐渐缩小 。

CMOS图像传感器基本工作原理

　　下图为CMOS图像传感器的功能框图。

　　首先，外界光照射像素阵列，发生光电效应，在像素单元内产生相应的电荷。行选择逻辑单元根据需要，选通相应的行像素单元。行像素单元内的图像信号通过各自所在列的信号总线传输到对应的模拟信号处理单元以及A/D转换器，转换成数字图像信号输出。其中的行选择逻辑单元可以对像素阵列逐行扫描也可隔行扫描。行选择逻辑单元与列选择逻辑单元配合使用可以实现图像的窗口提取功能。模拟信号处理单元的主要功能是对信号进行放大处理，并且提高信噪比。另外，为了获得质量合格的实用摄像头，芯片中必须包含各种控制电路，如曝光时间控制、自动增益控制等。为了使芯片中各部分电路按规定的节拍动作，必须使用多个时序控制信号。为了便于摄像头的应用，还要求该芯片能输出一些时序信号，如同步信号、行起始信号、场起始信号等。

　　象素阵列工作原理

　　图像传感器一个直观的性能指标就是对图像的复现的能力。而象素阵列就是直接关系到这一指标的关键的功能模块。按照像素阵列单元结构的不同,可以将像素单元分为无源像素单元PPS(passive pixel schematic)，有源像素单元APS(active pixel schematic)和对数式像素单元，有源像素单元APS又可分为光敏二极管型APS、光栅型APS。

　　以上各种象素阵列单元各有特点，但是他们有着基本相同的工作原理。以下先介绍它们基本的工作原理，再介绍各种象素单元的特点。下图是单个象素的示意图。

　　首先进入“复位状态”，此时打开门管M。电容被充电至V，二极管处于反向状态;

　　然后进人“取样状态”。这时关闭门管M,在光照下二极管产生光电流，使电容上存贮的电荷放电，经过一个固定时间间隔后，电容C上存留的电荷量就与光照成正比例，这时就将一幅图像摄入到了敏感元件阵列之中了;

　　进入“读出状态”。这时再打开门管M,逐个读取各像素中电容C上存贮的电荷电压。

　　无源像素单元PPS出现得最早，自出现以来结构没有多大变化。无源像素单元PPS结构简单，像素填充率高，量子效率比较高，但它有两个显着的缺点。一是，它的读出噪声比较大，其典型值为20个电子，而商业用的CCD级技术芯片其读出噪声典型值为20个电子。二，随着像素个数的增加，读出速率加快，于是读出噪声变大。

　　光敏二极管型APS量子效率比较高，由于采用了新的消噪技术，输出图形信号质量比以前有许多提高，读出噪声一般为75～100个电子,此种结构的C3&适合于中低档的应用场合。

　　在光栅型APS结构中，固定图形噪声得到了抑制。其读出噪声为10～20个电子。但它的工艺比较复杂，严格说并不能算完全的CMOS工艺。由于多晶硅覆盖层的引入，使其量子效率比较低，尤其对蓝光更是如此。就目前看来，其整体性能优势并不十分突出。

影响性能的主要问题

　　1.噪声

　　这是影响CMOS传感器性能的首要问题。这种噪声包括固定图形噪声FPN(Fixed pattern noise)、暗电流噪声、热噪声等。固定图形噪声产生的原因是一束同样的光照射到两个不同的象素上产生的输出信号不完全相同。噪声正是这样被引入的。对付固定图形噪声可以应用双采样或相关双采样技术。具体地说来有点像在设计模拟放大器时引入差分对来抑制共模噪声。双采样是先读出光照产生的电荷积分信号，暂存然后对象素单元进行复位，再读取此象素单元地输出信号。两者相减得出图像信号。两种采样均能有效抑制固定图形噪声。另外，相关双采样需要临时存储单元，随着象素地增加，存储单元也要增加。

　　2. 暗电流

　　物理器件不可能是理想的，如同亚阈值效应一样，由于杂质、受热等其他原因的影响，即使没有光照射到象素，象素单元也会产生电荷，这些电荷产生了暗电流。暗电流与光照产生的电荷很难进行区分。暗电流在像素阵列各处也不完全相同，它会导致固定图形噪声。对于含有积分功能的像素单元来说，暗电流所造成的固定图形噪声与积分时间成正比。暗电流的产生也是一个随机过程，它是散弹噪声的一个来源。因此，热噪声元件所产生的暗电流大小等于像素单元中的暗电流电子数的平方根。当长时间的积分单元被采用时，这种类型的噪声就变成了影响图像信号质量的主要因素，对于昏暗物体，长时间的积分是必要的，并且像素单元电容容量是有限的，于是暗电流电子的积累限制了积分的最长时间。

　　为减少暗电流对图像信号的影响，首先可以采取降温手段。但是，仅对芯片降温是远远不够的，由暗电流产生的固定图形噪声不能完全通过双采样克服。现在采用的有效的方法是从已获得的图像信号中减去参考暗电流信号。

　　3. 象素的饱和与溢出模糊

　　类似于放大器由于线性区的范围有限而存在一个输入上限，对于CMOS图像传感芯片来说，它也有一个输入的上限。输入光信号若超过此上限，像素单元将饱和而不能进行光电转换。对于含有积分功能的像素单元来说，此上限由光电子积分单元的容量大小决定：对于不含积分功能的像素单元，该上限由流过光电二极管或三极管的电流决定。在输入光信号饱和时，溢出模糊就发生了。溢出模糊是由于像素单元的光电子饱和进而流出到邻近的像素单元上。溢出模糊反映到图像上就是一片特别亮的区域。这有些类似于照片上的曝光过度。溢出模糊可通过在像素单元内加入自动泄放管来克服，泄放管可以有效地将过剩电荷排出。但是，这只是限制了溢出，却不能使象素能真实还原出图像了。

CMOS图像传感器件的应用

　　1. 数码相机

　　人们使用胶卷照相机已经上百年了，20世纪80年代以来，人们利用高新技术，发展了不用胶卷的CCD数码相机。使传统的胶卷照相机产生了根本的变化。电可写可控的廉价FLASH ROM的出现，以及低功耗、低价位的CMOS摄像头的问世。为数码相机打开了新的局面，数码相机功能框图如右下图所示。

　　从图中可以看出，数码相机的内部装置已经和传统照相机完全不同了，彩色CMOS摄像头在电子快门的控制下，摄取一幅照片存于DRAM中，然后再转至FLASH ROM中存放起来。根据FLASH ROM的容量和图像数据的压缩水平，可以决定能存照片的张数。如果将ROM换成PCMCIA卡，就可以通过换卡，扩大数码相机的容量，这就像更换胶卷一样，将数码相机的数字图像信息转存至PC机的硬盘中存贮，这就大大方便了照片的存贮、检索、处理、编辑和传送。

　　2. CMOS数字摄像机

　　美国Omni Vison公司推出的由OV7610型CMOS彩色数字图像芯片和OV511型摄像机以及USB接口芯片所组成的USB摄像机，其分辨率高达640 x 480，适用于通过通用串行总线传输的视频系统。OV511型摄像机的推出，可使得PC机能以更加实时的方法获取大量视频信息，其压缩芯片的压缩比可以达到7:1，从而保证了图像传感器到PC机的快速图像传输。对于CIF图像格式，OV511型可支持高达30帧/秒的传输速率、减少了低带宽应用中通常会出现的图像跳动现象。OV511型作为高性能的USB接口的控制器，它具有足够的灵活性，适合包括视频会议、视频电子邮件、计算机多媒体和保安监控等场合应用。

　　3. 其他领域应用

　　CMOS图像传感器是一种多功能传感器，由于它兼具CCD图像传感器的性能，因此可进入CCD的应用领域，但它又有自己独特的优点，所以开拓了许多新的应用领域。除了上述介绍的主要应用之外，CMOS图像传感器还可应用于数字静态摄像机和医用小型摄像机

CMOS图像传感器的市场状况

　　据市场调研公司Cahners In-stat Group预测，未来几年内，基于CMOS图像传感器的影像产品将达到50[%]以上，也就是说，到时CMOS 图像传感器将取代CCD而成为市场的主流。可见，CMOS摄像机的市场前景非常广阔 。

　　今后几年，全球CMOS图像传感器销售量将迅速增加，并将在许多数字图像应用领域向传统的CCD发起冲击。这是因为CMOS图像传感器件具有两大优点：一是价格比CCD 器件低15[%]~25[%];二是其芯片的结构可方便地与其它硅基元器件集成，从而可有效地降低整个系统的成本。尽管过去CMOS图像传感器的图像质量比CCD差且分辨率低，然而经过迅速改进，已不断逼近CCD的技术水平，目前这种传感器件已广泛应用于对分辨率要求较低的数字相机、电子玩具、电视会议和保安系统的摄像结构中。

　　日本Nintendo有限公司推出的采用CMOS图像传感器的低分辨率数字相机，上市头两个月，销售量就达100万台。三菱公司、摩托罗拉、惠普、东芝和Intel公司也紧接着上市该类产品。