CMOS圖像傳感器基本原理與應(yīng)用簡(jiǎn)介

1、CMOS圖像傳感器基本原理與應(yīng)用簡(jiǎn)摘要：本文介紹了CMOS圖像傳感器器件的原理、性能、優(yōu)點(diǎn)、問題及應(yīng)對(duì)措施，以及CMOS圖像傳感器的市場(chǎng)狀況和一些應(yīng)用領(lǐng)域。 1 引言圖像傳感器是將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的裝置，在數(shù)字電視、可視通信市場(chǎng)中有著廣泛的應(yīng)用。60年代末期，美國(guó)貝爾實(shí)臉室發(fā)現(xiàn)電荷通過半導(dǎo)體勢(shì)阱發(fā)生轉(zhuǎn)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(shù)已比較成熱，得到非常廣泛的應(yīng)用。但是隨著CCD應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，其缺點(diǎn)逐漸暴露出來。首先，CCD技術(shù)芯片技術(shù)工藝復(fù)雜，不能與標(biāo)準(zhǔn)工藝兼容。其次，CCD技術(shù)芯片

2、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?jié)摿Φ氖遣捎脴?biāo)準(zhǔn)的CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor 互補(bǔ)金屬氧化物場(chǎng)效應(yīng)管)技術(shù)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(hào)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(guī)模批量生產(chǎn)，適用于要求小尺寸、低價(jià)格、攝像質(zhì)量無過高要求的應(yīng)用，如保安用小型、微型相機(jī)、手機(jī)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)視頻會(huì)議系統(tǒng)、無線手持式視頻會(huì)議系統(tǒng)、條形碼掃描器、傳真機(jī)、玩具、生物顯微計(jì)數(shù)、某些車用攝像系統(tǒng)等大量商用領(lǐng)域。20世

3、紀(jì)80年代，英國(guó)愛丁堡大學(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(yīng)用，具有很強(qiáng)地市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)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(yīng)，在像素單元內(nèi)產(chǎn)生相應(yīng)的電荷。行選擇邏輯單元根據(jù)需要，選通相應(yīng)的行像素單元。行像素單元內(nèi)的圖像信號(hào)通過各自所在列的信號(hào)總線傳輸?shù)綄?duì)應(yīng)的模擬信號(hào)處理單元以及A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像信號(hào)輸出。其中的行選擇邏輯單元可以對(duì)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(xiàn)圖像的窗口提取功能。模擬信號(hào)處理單元

4、的主要功能是對(duì)信號(hào)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(guī)定的節(jié)拍動(dòng)作，必須使用多個(gè)時(shí)序控制信號(hào)。為了便于攝像頭的應(yīng)用，還要求該芯片能輸出一些時(shí)序信號(hào)，如同步信號(hào)、行起始信號(hào)、場(chǎng)起始信號(hào)等。 3、 CMOS圖像傳感器的市場(chǎng)狀況據(jù)市場(chǎng)調(diào)研公司Cahners In-stat Group預(yù)測(cè)，未來幾年內(nèi)，基于CMOS圖像傳感器的影像產(chǎn)品將達(dá)到50以上，也就是說，到時(shí)CMOS 圖像傳感器將取代CCD而成為市場(chǎng)的主流。可見，CMOS攝像機(jī)的市場(chǎng)前景非常廣闊 。今后幾年，全球CMOS圖像傳感器銷

5、售量將迅速增加，并將在許多數(shù)字圖像應(yīng)用領(lǐng)域向傳統(tǒng)的CCD發(fā)起沖擊。這是因?yàn)镃MOS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(jié)構(gòu)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(tǒng)的成本。盡管過去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(yīng)用于對(duì)分辨率要求較低的數(shù)字相機(jī)、電子玩具、電視會(huì)議和保安系統(tǒng)的攝像結(jié)構(gòu)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(jī)，上市頭兩個(gè)月，銷售量就達(dá)100萬(wàn)臺(tái)。三菱公司、摩托羅拉、惠普、東芝和Intel公司也緊接著上市該類

6、產(chǎn)品。 4 CMOS圖像傳感器件的應(yīng)用4.1 數(shù)碼相機(jī)人們使用膠卷照相機(jī)已經(jīng)上百年了，20世紀(jì)80年代以來，人們利用高新技術(shù)，發(fā)展了不用膠卷的CCD數(shù)碼相機(jī)。使傳統(tǒng)的膠卷照相機(jī)產(chǎn)生了根本的變化。電可寫可控的廉價(jià)FLASH ROM的出現(xiàn)，以及低功耗、低價(jià)位的CMOS攝像頭的問世。為數(shù)碼相機(jī)打開了新的局面，數(shù)碼相機(jī)功能框圖如右下圖所示。 從圖中可以看出，數(shù)碼相機(jī)的內(nèi)部裝置已經(jīng)和傳統(tǒng)照相機(jī)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(zhuǎn)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PCM

7、CIA卡，就可以通過換卡，擴(kuò)大數(shù)碼相機(jī)的容量，這就像更換膠卷一樣，將數(shù)碼相機(jī)的數(shù)字圖像信息轉(zhuǎn)存至PC機(jī)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。 4.2 CMOS數(shù)字?jǐn)z像機(jī)美國(guó)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(jí)攝像機(jī)以及USB接口芯片所組成的USB攝像機(jī)，其分辨率高達(dá)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(jí)攝像機(jī)的推出，可使得PC機(jī)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(dá)到7:1，從而保證了圖像傳感器到PC機(jī)的快速圖像傳輸。對(duì)于CIF圖像格式，OV511型可支持高達(dá)

8、30幀/秒的傳輸速率、減少了低帶寬應(yīng)用中通常會(huì)出現(xiàn)的圖像跳動(dòng)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(huì)議、視頻電子郵件、計(jì)算機(jī)多媒體和保安監(jiān)控等場(chǎng)合應(yīng)用。4.3 其他領(lǐng)域應(yīng)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(yīng)用領(lǐng)域，但它又有自己獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，所以開拓了許多新的應(yīng)用領(lǐng)域。除了上述介紹的主要應(yīng)用之外，CMOS圖像傳感器還可應(yīng)用于數(shù)字靜態(tài)攝像機(jī)和醫(yī)用小型攝像機(jī)等。例如，心臟外科醫(yī)生可以在患者胸部安裝一個(gè)小“硅眼”，以便在手術(shù)后監(jiān)視手術(shù)效果，CCD就很難實(shí)現(xiàn)這種應(yīng)用。5 象素陣列工作原理圖像傳感器一個(gè)直

9、觀的性能指標(biāo)就是對(duì)圖像的復(fù)現(xiàn)的能力。而象素陣列就是直接關(guān)系到這一指標(biāo)的關(guān)鍵的功能模塊。按照像素陣列單元結(jié)構(gòu)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(duì)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(diǎn)，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(diǎn)。下圖是單個(gè)象素的示意圖。(1) 首先進(jìn)入“復(fù)位狀態(tài)”，此時(shí)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(jìn)人“取樣狀態(tài)”。

10、這時(shí)關(guān)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(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)再打開門管M,逐個(gè)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(jié)構(gòu)沒有多大變化。無源像素單元PPS結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，像素填充率高，量子效率比較高，但它有兩個(gè)顯著的缺點(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(jí)技術(shù)芯片其讀出噪聲典型值為20個(gè)電子。二，隨著像素個(gè)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

11、了新的消噪技術(shù)，輸出圖形信號(hào)質(zhì)量比以前有許多提高，讀出噪聲一般為75100個(gè)電子,此種結(jié)構(gòu)的C3&適合于中低檔的應(yīng)用場(chǎng)合。在光柵型APS結(jié)構(gòu)中，固定圖形噪聲得到了抑制。其讀出噪聲為1020個(gè)電子。但它的工藝比較復(fù)雜，嚴(yán)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(duì)藍(lán)光更是如此。就目前看來，其整體性能優(yōu)勢(shì)并不十分突出。 6 影響CMOS傳感器性能的主要問題6.1 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(gè)不同的象

12、素上產(chǎn)生的輸出信號(hào)不完全相同。噪聲正是這樣被引入的。對(duì)付固定圖形噪聲可以應(yīng)用雙采樣或相關(guān)雙采樣技術(shù)。具體地說來有點(diǎn)像在設(shè)計(jì)模擬放大器時(shí)引入差分對(duì)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(hào)，暫存然后對(duì)象素單元進(jìn)行復(fù)位，再讀取此象素單元地輸出信號(hào)。兩者相減得出圖像信號(hào)。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(chǔ)單元，隨著象素地增加，存儲(chǔ)單元也要增加。6.2 暗電流物理器件不可能是理想的，如同亞閾值效應(yīng)一樣，由于雜質(zhì)、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(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(qū)分。暗電流在像素陣列各處也不完全相

13、同，它會(huì)導(dǎo)致固定圖形噪聲。對(duì)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(shí)間成正比。暗電流的產(chǎn)生也是一個(gè)隨機(jī)過程，它是散彈噪聲的一個(gè)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(dāng)長(zhǎng)時(shí)間的積分單元被采用時(shí)，這種類型的噪聲就變成了影響圖像信號(hào)質(zhì)量的主要因素，對(duì)于昏暗物體，長(zhǎng)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(zhǎng)時(shí)間。為減少暗電流對(duì)圖像信號(hào)的影響，首先可以采取降溫手段。但是，僅對(duì)芯片降溫是遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(hào)中減去參考暗電流信號(hào)。 6.3 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(gè)輸入上限，對(duì)于CMOS圖像傳感芯片來說，它也有一個(gè)輸入的上限。輸入光信號(hào)若超過此上限，像素單元將飽和而不能進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換。對(duì)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(duì)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(hào)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(qū)域。這有些類似于照片上