CMOS圖像傳感器基本原理與應(yīng)用簡介

1 引言

圖像傳感器是將光信號轉(zhuǎn)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(yīng)用。60年代末期，美國貝爾實(shí)臉室發(fā)現(xiàn)電荷通過半導(dǎo)體勢阱發(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世紀(jì)80年代，英國愛丁堡大學(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(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)的圖像信號通過各自所在列的信號總線傳輸?shù)綄?yīng)的模擬信號處理單元以及A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)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(shí)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(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。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，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(gè)直觀的性能指標(biāo)就是對圖像的復(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)”。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，由于采用了新的消噪技術(shù)，輸出圖形信號質(zhì)量比以前有許多提高，讀出噪聲一般為75～100個(gè)電子,此種結(jié)構(gòu)的C3適合于中低檔的應(yīng)用場合。

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10～20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，尤其對藍(lán)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(gè)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(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(jìn)行復(fù)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(guān)雙采樣需要臨時(shí)存儲單元，隨著象素地增加，存儲單元也要增加。