1、引言

　　 CCD圖像傳感器由于靈敏度高、噪聲低，逐步成為圖像傳感器的主流。但由于工藝上的原因，敏感元件和信號(hào)處理電路不能集成在同一芯片上，造成由CCD圖像 傳感器組裝的攝像機(jī)體積大、功耗大。CMOS圖像傳感器以其體積小、功耗低在圖像傳感器市場(chǎng)上獨(dú)樹一幟。但最初市場(chǎng)上的CMOS圖像傳感器，一直沒有擺脫 光照靈敏度低和圖像分辨率低的缺點(diǎn)，圖像質(zhì)量還無法與CCD圖像傳感器相比。

　　如果把CMOS圖像傳感器的光照靈敏度再提高5倍～10 倍，把噪聲進(jìn)一步降低，CMOS圖像傳感器的圖像質(zhì)量就可以達(dá)到或略微超過CCD圖像傳感器的水平，同時(shí)能保持體積小、重量輕、功耗低、集成度高、價(jià)位低 等優(yōu)點(diǎn)，如此，CMOS圖像傳感器取代CCD圖像傳感器就會(huì)成為事實(shí)。

　　由于CMOS圖像傳感器的應(yīng)用，新一代圖像系統(tǒng)的開發(fā)研制得到了 極大的發(fā)展，并且隨著經(jīng)濟(jì)規(guī)模的形成，其生產(chǎn)成本也得到降低。現(xiàn)在，CMOS圖像傳感器的畫面質(zhì)量也能與CCD圖像傳感器相媲美，這主要?dú)w功于圖像傳感器 芯片設(shè)計(jì)的改進(jìn)，以及亞微米和深亞微米級(jí)設(shè)計(jì)增加了像素內(nèi)部的新功能。實(shí)際上，更確切地說，CMOS圖像傳感器應(yīng)當(dāng)是一個(gè)圖像系統(tǒng)。一 個(gè)典型的CMOS圖像傳感器通常包含：一個(gè)圖像傳感器核心（是將離散信號(hào)電平多路傳輸?shù)揭粋€(gè)單一的輸出，這與CCD圖像傳感器很相似），所有的時(shí)序邏輯、 單一時(shí)鐘及芯片內(nèi)的可編程功能，比如增益調(diào)節(jié)、積分時(shí)間、窗口和模數(shù)轉(zhuǎn)換器。事實(shí)上，當(dāng)一位設(shè)計(jì)者購買了CMOS圖像傳感器后，他得到的是一個(gè)包括圖像陣 列邏輯寄存器、存儲(chǔ)器、定時(shí)脈沖發(fā)生器和轉(zhuǎn)換器在內(nèi)的全部系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的CCD 圖像系統(tǒng)相比，把整個(gè)圖像系統(tǒng)集成在一塊芯片上不僅降低了功耗，而且具有重量較輕，占用空間減少以及總體價(jià)格更低的優(yōu)點(diǎn)。

圖1 早期的CCD圖像傳感器

　　2、基本原理

　 　從某一方面來說，CMOS圖像傳感器在每個(gè)像素位置內(nèi)都有一個(gè)放大器，這就使其能在很低的帶寬情況下把離散的電荷信號(hào)包轉(zhuǎn)換成電壓輸出，而且也僅需要在 幀速率下進(jìn)行重置。CMOS圖像傳感器的優(yōu)點(diǎn)之一就是它具有低的帶寬，并增加了信噪比。由于制造工藝的限制，早先的CMOS圖像傳感器無法將放大器放在像 素位置以內(nèi)。這種被稱為PPS的技術(shù)，噪聲性能很不理想，而且還引來對(duì)CMOS圖像傳感器的種種干擾。

　　然而今天，隨著制作工藝的提高， 使在像素內(nèi)部增加復(fù)雜功能的想法成為可能?，F(xiàn)在，在像素位置以內(nèi)已經(jīng)能增加諸如電子開關(guān)、互阻抗放大器和用來降低固定圖形噪聲的相關(guān)雙采樣保持電路以及消 除噪聲等多種附加功能。實(shí)際上，在Conexant公司（前Rockwell半導(dǎo)體公司）的一臺(tái)先進(jìn)的CMOS 攝像機(jī)所用的CMOS圖傳感器上，每一個(gè)像素中都設(shè)計(jì)并使用了6個(gè)晶體管，測(cè)試到的讀出噪聲只有1均方根電子。不過，隨著像素內(nèi)電路數(shù)量的不斷增加，留給 感光二極管的空間逐漸減少，為了避免這個(gè)比例（又稱占空因數(shù)或填充系數(shù)）的下降，一般都使用微透鏡，這是因?yàn)槊總€(gè)像素位置上的微小透鏡都能改變?nèi)肷涔饩€的 方向，使得本來會(huì)落到連接點(diǎn)或晶體管上的光線重回到對(duì)光敏感的二極管區(qū)域。

　　因?yàn)殡姾杀幌拗圃谙袼匾詢?nèi)，所以CMOS圖像傳感器的另一個(gè) 固有的優(yōu)點(diǎn)就是它的防光暈特性。在像素位置內(nèi)產(chǎn)生的電壓先是被切換到一個(gè)縱列的緩沖區(qū)內(nèi)，然后再被傳輸?shù)捷敵龇糯笃髦校虼瞬粫?huì)發(fā)生傳輸過程中的電荷損耗 以及隨后產(chǎn)生的光暈現(xiàn)象。它的不利因素是每個(gè)像素中放大器的閾值電壓都有細(xì)小的差別，這種不均勻性就會(huì)引起固定圖像噪聲。然而，隨著CMOS圖像傳感器的 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造工藝的不斷改進(jìn)，這種效應(yīng)已經(jīng)得到顯著弱化。

　　這種多功能的集成化，使得許多以前無法應(yīng)用圖像技術(shù)的地方現(xiàn)在也變得可行 了，如孩子的玩具，更加分散的保安攝像機(jī)、嵌入在顯示器和膝上型計(jì)算機(jī)顯示器中的攝像機(jī)、帶相機(jī)的移動(dòng)電路、指紋識(shí)別系統(tǒng)、甚至于醫(yī)學(xué)圖像上所使用的一次 性照相機(jī)等，這些都已在某些設(shè)計(jì)者的考慮之中。

　　3設(shè)計(jì)考慮

　　然而，這個(gè)行業(yè)還有一 個(gè)受到普遍關(guān)注的問題，那就是測(cè)量方法，具體指標(biāo)、陣列大小和特性等方面還缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。每一位工程師在比較各種資料一覽表時(shí)，可能會(huì)發(fā)現(xiàn)在一張表上列 出的是關(guān)于讀出噪聲或信噪比的資料，而在另一張表上可能只是強(qiáng)調(diào)關(guān)于動(dòng)態(tài)范圍或最大勢(shì)阱容量的資料。因此，這就要求設(shè)計(jì)者們能夠判斷哪一個(gè)參數(shù)對(duì)他們最重 要，并且盡可能充分利用多產(chǎn)品的CMOS圖像傳感器家族。

　　一些關(guān)鍵的性能參數(shù)是任何一種圖像傳感器都需要關(guān)注的，包括信噪比、動(dòng)態(tài)范 圍、噪聲（固定圖形噪聲和讀出噪聲）、光學(xué)尺寸以及電壓的要求。應(yīng)當(dāng)知道并用來對(duì)比的重要參數(shù)有：最大勢(shì)阱容量、各種工作狀態(tài)下的讀出噪聲、量子效率以及 暗電流，至于信噪比之類的其它參數(shù)都是由那些基本量度推導(dǎo)出來的。

　　對(duì)于像保安攝像機(jī)一類的低照度級(jí)的應(yīng)用，讀出噪聲和量子效應(yīng)最重要。然而對(duì)于象戶外攝影一類的中、高照度級(jí)的應(yīng)用，比較大的最大勢(shì)阱容量就顯得更為重要。

　 　動(dòng)態(tài)范圍和信噪比是最容易被誤解和誤用的參數(shù)。動(dòng)態(tài)范圍是最大勢(shì)阱容量與最低讀出噪聲的比值，它之所以引起誤解，是因?yàn)樽x出噪聲經(jīng)常不是在典型的運(yùn)行速 度下測(cè)得的，而且暗電流散粒噪聲也常常沒有被計(jì)算在內(nèi)。信噪比主要決定于入射光的亮度級(jí)（事實(shí)上，在亮度很低的情況下，噪聲可能比信號(hào)還要大）。

　 　所以，信噪比應(yīng)該將所有的噪聲源都考慮在內(nèi)，有些資料一覽表中常常忽略散粒噪聲，而它恰恰是中、高信號(hào)電平的主要噪聲來源。而SNRDARK得到說明， 實(shí)際上與動(dòng)態(tài)范圍沒有什么兩樣。數(shù)字信噪比或數(shù)字動(dòng)態(tài)范圍是另一個(gè)容易引起混淆的概念，它表明的只是模擬/數(shù)字（A/D）轉(zhuǎn)換器的一個(gè)特性。雖然這可能很 重要，但它并不能精確地描述圖像的質(zhì)量。同時(shí)我們也應(yīng)清楚地認(rèn)識(shí)到，當(dāng)圖像傳感器具有多個(gè)可調(diào)模擬增益設(shè)置時(shí)，模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器的分辨率不會(huì)對(duì)圖像傳感器 的動(dòng)態(tài)范圍產(chǎn)生限制。

　　光學(xué)尺寸的概念的模糊，是由于傳統(tǒng)觀念而致。使用光導(dǎo)攝像管只能在部分范圍內(nèi)產(chǎn)生有用的圖像。它的計(jì)算包括度量單 位的轉(zhuǎn)換和向上舍入的方法。采用向上舍入的方法，先以毫米為單位測(cè)量圖像傳感器的對(duì)角線除以16，就能得到以英寸為單位的光學(xué)尺寸。例如0.97cm的尺 寸是1.27cm而不是 0.85cm。假如你選擇了一個(gè)光學(xué)尺寸為0.85cm的圖像傳感器，很可能出現(xiàn)圖像的四周角落上的映影（陰影）現(xiàn)象。這是因?yàn)橛行┵Y料一覽表欺騙性地使 用了向下舍入的方法。例如，將0.97cm的尺寸稱為0.85cm，理由很簡(jiǎn)單：0.85cm光學(xué)尺寸的圖像傳感器的價(jià)格要比1.27cm光學(xué)尺寸的圖像 傳感器的價(jià)格低得多，但是這對(duì)系統(tǒng)工作性能產(chǎn)生不利影響。所以，設(shè)計(jì)者應(yīng)該通過計(jì)算試用各種不同的圖像傳感器來得到想要的性能。

　　 CMOS圖像傳感器的一個(gè)很大的優(yōu)點(diǎn)就是它只要求一個(gè)單電壓來驅(qū)動(dòng)整個(gè)裝置。不過設(shè)計(jì)者仍應(yīng)謹(jǐn)慎地布置電路板驅(qū)動(dòng)芯片。根據(jù)實(shí)際要求，數(shù)字電壓和模擬電壓 之間盡可能地分離開以防止串?dāng)_。因此良好的電路板設(shè)計(jì)，接地和屏蔽就顯得非常重要。盡管這種圖像傳感器是一個(gè)CMOS裝置并具有標(biāo)準(zhǔn)的輸入/輸出（I /O）電壓，但它實(shí)際的輸入信號(hào)相當(dāng)小，而且對(duì)噪聲也很敏感。

　　到目前為止，已設(shè)計(jì)出高集成度單芯片CMOS圖像傳感器。設(shè)計(jì)者力求使有 關(guān)圖像的應(yīng)用更容易實(shí)現(xiàn)多功能，包括自動(dòng)增益控制（AGC）、自動(dòng)曝光控制（AEC）、自動(dòng)平衡（AMB）、伽瑪樣正、背景補(bǔ)償和自動(dòng)黑電平校正。所有的 彩色矩陣處理功能都集成在芯片中。CMOS圖像傳感器允許片上的寄存器通過I2C總線對(duì)攝像機(jī)編程，具有動(dòng)態(tài)范圍寬、抗浮散且?guī)缀鯖]有拖影的優(yōu)點(diǎn)。

　　4、CMOS APS的潛在優(yōu)點(diǎn)和設(shè)計(jì)方法

　　4．1CMOS APS勝過CCD圖像傳感器的潛在優(yōu)點(diǎn)

　　CMOS APS勝過CCD圖像傳感器的潛在優(yōu)點(diǎn)包括［1］～［5］：

　　1）消除了電荷反復(fù)轉(zhuǎn)移的麻煩，免除了在輻射條件下電荷轉(zhuǎn)移效率（CTE）的退化和下降。

　　2）工作電流很小，可以防止單一振動(dòng)和信號(hào)閉鎖。

　　3）在集成電路芯片中可進(jìn)行信號(hào)處理，因此可提供芯跡線，模/數(shù)轉(zhuǎn)換的自調(diào)節(jié)，也能提供由電壓漂移引起的輻射調(diào)節(jié)。

　　4．2 CMOS APS的設(shè)計(jì)方法

　　CMOS APS的設(shè)計(jì)方法包括：

　　1）為了降低暗電流而進(jìn)行研制創(chuàng)新的像素結(jié)構(gòu)。

　　2）使用耐輻射的鑄造方，再研制和開發(fā)中等尺寸“dumb”（?。┏上駜x（通過反復(fù)地開發(fā)最佳像素結(jié)構(gòu)）。

　　3）研制在芯片上進(jìn)行信號(hào)處理的器件，以適應(yīng)自動(dòng)調(diào)節(jié)本身電壓Vt的漂移和動(dòng)態(tài)范圍的損失。

　　4）研制和開發(fā)耐輻射（單一擾動(dòng)環(huán)境）的定時(shí)和控制裝置。

　　5）研制和加固耐輻射的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器。

　　6）尋找低溫工作條件，以便在承受最大幅射強(qiáng)度時(shí)，找到并證實(shí)最佳的工作溫度。

　　7）研制和開發(fā)大尺寸、全數(shù)字化、耐輻射的CMOS? APS，以便生產(chǎn)。

　　8）測(cè)試、評(píng)價(jià)和鑒定該器件的性能。

　　9）引入當(dāng)代最高水平的組合式光學(xué)通信/成像系統(tǒng)測(cè)試臺(tái)。

　 　CMOS圖像傳感器的前途是光明的，隨著多媒體、數(shù)字電視、可視通訊等市場(chǎng)的增加，CMOS圖像傳感器的應(yīng)用前景更加廣闊。CMOS APS為MIS/CCD圖像傳感器設(shè)計(jì)提供了另一選擇方案，它把電荷轉(zhuǎn)換成電壓所需的晶體管裝在每個(gè)像素內(nèi)。在這種器件內(nèi)均不必進(jìn)行電荷轉(zhuǎn)移， 因?yàn)閿?shù)據(jù)讀取是在單個(gè)像素內(nèi)完成的。與CCD圖像傳感器相比，這種器件有很成熟的CMOS集成電路工藝，在降低成本方面有潛力。預(yù)期CMOS APS在許多非科學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)將最終替代CCD圖像傳感器。

　　像素傳感器電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)詳情參見：CMOS圖像傳感器的基本原理及設(shè)計(jì)考慮

　　全面了解了COMS傳感器的原理及設(shè)計(jì)考慮的主要因素，下面介紹幾種CMOS圖像傳感器應(yīng)用方案和參考設(shè)計(jì)。