CMOS图像传感器

特性

　　（1）光照特性

　　CMOS传感器的主要应用也是图像的采集，也要求能够适应更宽的光照范围。因此也必须采用非线性的处理方法和自动调整曝光时间与自动增益等处理方法。结果与CCD相机一样损失了光电转换的线性，正因为此项，它也受限于灰度的测量。

　　（2）输出特性

　　CMOS图像传感器的突出优点在于输出特性，它可以部分输出任意区域范围内的图像。（并非所有CMOS传感器都具有这个功能，如果生产厂家没有给您提供）这个特性在跟踪、寻的、搜索及室外拍照等的应用前景非常之好。也是CCD传感器所无法办到的。

　　（3）光谱响应

　　光谱响应受半导体材料限制，同种硅材料的光谱响应基本一致，与CCD的光谱响应基本一致。

　　（4）光敏单元的不均匀性

　　光敏单元的不均匀性是CMOS图像传感器的弱项，因为它的光敏单元不像CCD那样严格的在同一硅片上用同样的制造工艺严格制造，因此远不如CCD的光敏单元的一致性好，但是它内部集成单元多，处理能力强能够弥补这个缺陷。

构成原理

　　完整的 CMOS 摄像器件包含如图 1 所示的各功能块。下面分别介绍各功能块的作用。

　　1 　敏感元件阵列阵列中的每个像素如图 2 所示 ,工作过程如下:

　　(1)首先进入“复位状态” ,此时打开门管 M ,电容被充电至 V r ,二极管处于反向状态;(2)然后进入“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;(3) 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。

　　2 　灵敏放大器

　　在敏感元件阵列中 ,各像素上反映光强的电荷量(电压信号) ,是一个很弱的电信号 ,必须进行放大 ,所以要求放大器不仅要十分灵敏 ,而且具有低的噪声。

　　3 　阵列扫描电路

　　水平移位寄存器可完成水平方向的扫描 ,利用它 ,可以实现从左向右或从右向左 ,依次读出某行中各列像素中的电信号。垂直移位寄存器可完成垂直方向的扫描 ,利用它 ,可以实现从上向下依次读出每行各像素中的电信号 ,从而实现了对一幅图像信息的扫描。为了输出到外电路 ,还要通过输出放大器 ,以提高驱动能力。

　　4 　控制电路

　　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、自动增益控制及 r 校正等。

　　5 　时序电路

　　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。

　　6 　性能特点

　　由于 CCD 图像传感器的制造工艺与 CMOS集成电路的制造工艺兼容 ,所以用 CCD图像传感器作光电转换阵列时 ,除敏感元件阵列外 ,摄像头所必须的其他电路 ,都只能制作在其余的集成电路芯片上。

　　正因为如此 ,与 CCD 摄像头相比 ,CMOS摄像头具有功耗低、集成度高、价格低廉、体积小和使用方便等优点。

应用

　　1 　微型摄像机

　　在很多应用场合 ,隐蔽摄像机必须大大缩小摄像机的体积 ,采用 CMOS图像传感器可方便地做到这一点。目前国内市场上销售的DV - 5016 型微型黑白摄像机(16 mm×16 mm×12 mm) ,其功耗只有50 mW ,配以高效可充电电池 ,即使全天候工作 ,也不会电路过热和图像质量变差。近来推出中分辨率的CMOS黑白微型摄像机 ,其灵敏度可达0. 1 lx ,图像清晰度可等同于 CCD摄像机的。

　　目前可视门铃或可视电话都是 CCD 非隐蔽式的。随着治安要求不断提高 ,为确保门外或室内外的摄像系统不被识破而遭到破坏 ,在室内外安装隐蔽式摄像系统将成为家用消费系统的一种趋势。对于CMOS微型摄像机 ,只要配有管状镜头 ,就能达到隐蔽而难被破坏的目的。

　　微型 CMOS摄像机的各种配置已在汽车尾视、内视 —Tax 司机的监视系统、塔吊起重、汽车防盗、电梯监控、超市防盗、银行监控、焦点采访、监狱、辑私等许多领域中得到应用。由于其安装简便、使用方便、自动启动、自动录像、费用低 ,使其应用也越来越广泛。

　　2 　CMOS数字摄像机

　　美国 Omni Vison 公司最近推出的由 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 ×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。

　　当它和 OV7610 型 CMOS 彩色数字图像传感器结合起来 ,可作成适用于所有 PC 机视频输入应用的完美的低价位、高质量的 USB 摄像机。

　　3 　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。电可写可控的廉价快闪( 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 ,如图 3 所示。从图 3 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 ,摄取一幅照片存在 DRAM 中 ,然后再转至快闪ROM中存放起来。根据快闪 ROM 的容量和图像数据的压缩水平 ,可以决定能照片的张数。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。

　　4 　手表式摄像机

　　英国布里斯托尔惠普研究实验室的一个研究小组研制出新型手表式摄像机。这种摄像机利用单个芯片来实现摄像机所需的大部分功能 ,能置于手表中来处理和显示所拍摄的静止或运动图像。

　　这种芯片同时获取和处理图像 ,还可与手表或移动电话等共享电源。利用特殊的端口 ,新型摄像机还可与现有摄像机或电视相连。据英国布里斯托尔惠普研究室的研究人员介绍 ,将来通过增加红外线或无线电通信端口 ,手表式摄像机还有可能直接从个人电脑或电视机中下载图像。

　　5 　影像掌上电话

　　日本东京陶瓷公司研制出台蜂窝式彩色影像掌上电话系统( PHS) 。这款新型电话配备英寸(1 英寸等于 2. 54 厘米)薄膜晶体管液晶显示屏幕( TFT LCD) 和 11 万像素的 CMOS 图像传感器 ,每秒可传送或接收两个画面及声音。该电话零售价低于 4 万日元(约 325 美元) 。

　　6 　其他应用和市场

　　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 ,所以为自已开拓了许多新的应用领域。目前主要应用是保安监控系统和 PC摄像机。

　　除了上述主要应用之外 ,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等。例如 ,心脏外科医生可以在患者胸部安装一个小“硅眼” ,以便在手术后监视手术效果 ,CCD 就很难实现这种应用。

　　在CMOS 图像传感器中 ,由于集成了多种功能 ,使得以往许多无法运用图像技术的地方 ,能够广泛地应用图像技术。例如带照相机的移动电话、指纹识别系统、嵌入在显示器和膝上型电脑显示器中的摄像机、一次性照相机等。

发展趋势

　　1 低压驱动掩埋光电二极管型CMOS图像传感器

　　CMOS图像传感器在低照度下成像质量一直不如CCD，因而提高图像质量是CMOS图像传感器开发的重点。东芝采用掩埋光电二极管新型结构，降低了漏泄电流，在低压下也能确保无电荷残余地完全读出，实现了与CCD摄像器件同等的高质量图像。

　　2 低噪声高画质CMOS图像传感器

　　索尼采用独特的"DRSCAN"噪声消除技术和抑制暗电流的"HAD"结构，成功地试制出低噪声高画质1/3英寸33万像素CMOS图像传感器，并计划尽快实现商品化。

　　独特的"DRSCAN"（Dot Sequential Readout System with Current Amplified Signal Output Noise Reduction Circuit）技术即是在逐点顺次读出每像素信号和噪声成分的同时，在同一电路中消除晶体管特性不均引起的固定图形噪声，这是以前逐行消除难以做到的。为了消除暗电流引起的固定图形噪声，还借鉴CCD的"HAD"（Hole accumulation diode）结构。在传感器表面形成空穴积累层，从而抑制非入射光引起的暗电流。这两种固定图形噪声的降低，使S/N比提高了25倍，实现了CMOS图像传感器的高画质。而且HAD结构中采用L形门的像素结构，使几乎所有的电子完全转移，实现了无拖影图像信号输出。

　　3 高灵敏度CMOS图像传感器

　　日本NEC公司采用0.35 m CMOS工艺技术研制成功了具有双金属光电屏蔽和氮化硅（Si3N4）抗反射膜的深P阱光电二极管结构的CMOS-APS。为了改善器件的灵敏度，NEC公司在研制中采用了深P阱，磷掺杂P型硅衬底，Si3N4、抗反射膜、耗尽晶体管、双金属光电屏蔽等新技术。光入射到常规光电二极管和新型光电二极管的反射率，前者为20% 30%，后者小于10%。由于入射光反射率的降低，提高了器件的灵敏度。其性能参数为：光学尺寸为1/3英寸，像素数为658(H) 493(V)，像素尺寸为7.4 m(H) 7.4 m(V)，芯片尺寸为7.4mm 7.4mm，填充系数为20%，饱和信号为770mV。灵敏度为1090mV/Lx.s-1（无微透镜），转换增益为30 V/e，动态范围为51dB，暗电流为1.5fA/像素（25℃时），功耗为69mW，电源电压为3.3V。

　　4 轨对轨CMOS-APS

　　美国Photo Vision Systems公司2002年4月开发出一种高分辨率CMOS图像传感器，它具有830万像素的分辨率（3840 2160），比高清晰度电视（HDTV）的分辨率高4倍，比标准电视的分辨率高32倍。该器件适用于数字电视，演播室广播，安全/生物测定学、科学分析和工业监视等应用场合。这种超高清晰度电视彩色摄像机可以30帧每秒的速度拍摄2500万像素的图像（渐进或隔行扫描）。同样，IBM公司也将这种传感器集成到一种具有9.2兆像素22.2英寸大小的液晶显示器中。该传感器使用了Photon Vision Systems公司的CMOS有源像素图像传感器技术，从而使该传感器的分辨率指标达到甚至超过CCD图像传感器。

　　5 单斜率模式CMOS-APS

　　美国Photon Vision Systems公司采用常规SOI（silicon-on-insulator）CMOS工艺研制成功了单斜率模式CMOS-APS。像素数为64 64；像素尺寸为20 m(H) 15 m(V)；填充系数为50%；芯片尺寸为2mm 2mm；帧速为60帧/秒。该器件的单个像素由源跟随器、行选择晶体管n+-P二极管和复位晶体管等组成。另外我国香港科技大学采用2 mSOI CMOS工艺开发出了低压混合体/SOI CMOS有源像素传感器，在1.2V VDD工作时，暗电流小于50nA/cm2；二极管响应率为500mA/W；转换增益为1 V/e-；输出摆幅大于0.5V；动态范围为74dB。采用常规SOI CMOS工艺制备CMOS有源像素传感器（CMOS-APS），是CMOS-APS制备工艺的发展方向。因为采用该工艺容易获得低电压、微功耗的CMOS-APS。因此，混合体（hybrid bulk）/SOI CMOS-APS技术是很有吸引力的。使用SOI CMOS工艺是未来制作CMOS图像传感器的理想工艺。

　　6 CMOS数字像素传感器

　　CMOS图像传感器的发展至今有三大类，即CMOS-PPS、CMOS-APS、和CMOS-DPS（Digital Pixel sensor），而CMOS-DPS是最近两年才开发出来的。2001年12月Kodak、cadak、Hewlett-packard、Agilent Technolgies和Stanford大学和California大学等采用标准数字式0.18 m CMOS工艺开发成功了高帧速(10000帧/秒)CMOS数字像素传感器。其性能参数为：像素数为352 288；芯片尺寸为5mm 5mm；晶体管数为380万个；读出结构为64bit（167MHz）；输出数据速率大于1.33GB/s；连续帧速大于10000帧/秒；连续像素速率大于1Gpixels/s；像素尺寸为9.4 m(H) 9.4 m(V)；光电探测器类型为n MOS光电栅；每个像素的晶体管数为37；该器件的单个像素由光电二极管，模拟数字转换（ADC）、数字存储器和相关双取样（CDS）电路等组成。

　　CMOS-DPS不像CMOS-PPS和CMOS-APS的模/数（A/D）转换是在像素外进行，而是将模/数（A/D）转换集成在每一个像素单元里，每一像素单元输出的是数字信号，该器件的优点是高速数字读出，无列读出噪声或固定图形噪声，工作速度更快，功耗更低。

　　7 宽动态范围图像传感器

　　继CMOS-PPS、CMOS-APS和CMOS-DPS发展之后，德国西根大学半导体电子学研究所采用0.7 m CMOS工艺、PECVD超高真空系统以及专用集成电路（ASIC）薄膜技术；设计和制造了宽动态范围图像传感器。该器件由两部分组成：即PECVD氢化非晶硅（a-Si:H）薄膜是在超高真空中制成的，而ASIC使用标准CMOS工艺制备。这是继CMOS图像传感器问世之后，同CMOS图像传感器一样已经引起人们的重视。薄膜专用集成电路（TFA）图像传感器由正面电极、a-Si:H、背面电极、绝缘层和专用集成电路等组成。像素数为368 256、495 128、1024 108像元，像元尺寸分别为30 m 38 m、10 m 10 m、芯片尺寸分别为16.5mm 14.9mm，16.6mm 12.6mm，动态范围为60dB 125dB。

　　8 APD图像传感器

　　2001年，瑞士联邦技术学院电子学实验室的Alice Biber和Peter Seitz等人，采用1.2 m标准BiCMOS工艺研制成功了雪崩光电二极管图像传感器（APDIS），每个像素由雪崩光电二极管（APD）、高压稳定电路和图像读出电子部件组成。与常规CMOS有源像素传感器（CMOS-APS）比较，集成APD像素现存的反馈电阻将由反馈电容代替，放大器的热噪声为Vn,amp=30nV/Hz1/2，源跟随器热噪声为Vn,sf=17nV/Hz1/2，C=200fF时（1fF=10-15F），复位（KT/C）噪声的计算值为144 V；增益为1和15时，APD的噪声（i n,APD）分别为3.2 10-33A2/Hz和14.4 10-27A2/Hz。每个球形结构的APD的外部直径为48 m，像素数为12 24，芯片尺寸为2.4mm 2.4mm，总的像素尺寸为154 m 71.5 m。用该器件已组装成了首台APDIS摄像机，拍摄出了清晰的黑白图像。