CMOS映像感應器基本原理與應用簡介

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1 引言

映像感應器是將光訊號轉換為電訊號的裝置，在數字電視、可視通訊市場中有著廣泛的應用。60年代末期，美國貝爾實臉室發現電荷通過半導體勢阱發生轉移的現象，提出了固態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技術已比較成熱，得到非常廣泛的應用。但是隨著CCD應用範圍的擴大，其缺點逐漸暴露出來。首先，CCD技術晶片技術工藝複雜，不能與標準工藝相容。其次，CCD技術晶片需要的電壓功耗大，因此CCD技術晶片價格昂貴且使用不便。

目前，最引人注目，最有發展潛力的是採用標準的CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor 互補金屬氧化物場效應管)技術來生產映像感應器，即CMOS映像感應器。CMOS映像感應器晶片採用了CMOS工藝，可將映像採集單元和訊號處理資料格集成到同一塊晶片上。由於具有上述特點，它適合大規模批量生產，適用於要求小尺寸、低價格、攝像品質無過高要求的應用，如保安用小型、微型相機、手機、電腦網路視頻會議系統、無線手持式視頻會議系統、條碼掃描器、傳真機、玩具、生物顯微計數、某些車用攝像系統等大量商用領域。20世紀80年代，英國愛丁堡大學成功地製造出了世界上第一塊單片CMOS映像感應器件。目前，CMOS映像感應器正在得到廣泛的應用，具有很強地市場競爭力和廣闊地發展前景。

2 CMOS映像感應器基本工作原理

首先，外界光照射像素陣列，發生光電效應，在像素單元內產生相應的電荷。行選擇邏輯單元根據需要，選通相應的行像素單元。行像素單元內的映像訊號通過各自所在列的訊號匯流排傳輸到對應的類比訊號處理單元以及A/D轉換器，轉換成數位影像訊號輸出。其中的行選擇邏輯單元可以對像素陣列漸進式掃描也可隔行掃描。行選擇邏輯單元與列選擇邏輯單元配合使用可以實現映像的視窗提取功能。類比訊號處理單元的主要功能是對訊號進行放大處理，並且提高信噪比。另外，為了獲得品質合格的實用網路攝影機，晶片中必須包含各種控制電路，如曝光時間控制、自動增益控制等。為了使晶片中各部分電路按規定的節拍動作，必須使用多個時序控制訊號。為了便於網路攝影機的應用，還要求該晶片能輸出一些時序訊號，如同步訊號、行起始訊號、場起始訊號等。

3 象素陣列工作原理

映像感應器一個直觀的效能指標就是對映像的複現的能力。而象素陣列就是直接關係到這一指標的關鍵的功能模組。按照像素陣列單元結構的不同，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)和對數式像素單元，有源像素單元APS又可分為光敏二極體型APS、光柵型APS.

以上各種象素陣列單元各有特點，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。是單個象素的。

(1) 首先進入“複位狀態”，此時開啟門管M.電容被充電至V，二極體處於反向狀態;

(2) 然後進人“取樣狀態”.這時關閉門管M，在光照下二極體產生光電流，使電容上存貯的電荷放電，經過一個固定時間間隔後，電容C上存留的電荷量就與光照成正比例，這時就將一幅映像攝入到了敏感元件陣列之中了;

(3) 最後進入“讀出狀態”.這時再開啟門管M，逐個讀取各像素中電容C上存貯的電荷電壓。

無源像素單元PPS出現得最早，自出現以來結構沒有多大變化。無源像素單元PPS結構簡單，像素填充率高，量子效率比較高，但它有兩個顯著的缺點。一是，它的讀出雜訊比較大，其典型值為20個電子，而商業用的CCD級技術晶片其讀出雜訊典型值為20個電子。二，隨著像素個數的增加，讀出速率加快，於是讀出雜訊變大。

光敏二極體型APS量子效率比較高，由於採用了新的消噪技術，輸出圖形訊號品質比以前有許多提高，讀出雜訊一般為75~100個電子，此種結構的C3&適合於中低檔的應用場合。

在光柵型APS結構中，固定圖形雜訊得到了抑制。其讀出雜訊為10~20個電子。但它的工藝比較複雜，嚴格說並不能算完全的CMOS工藝。由於多晶矽覆蓋層的引入，使其量子效率比較低，尤其對藍光更是如此。就目前看來，其整體效能優勢並不十分突出。

4 影響CMOS感應器效能的主要問題

4.1 雜訊

這是影響CMOS感應器效能的首要問題。這種雜訊包括固定圖形雜訊FPN(Fixed pattern noise)、暗電流雜訊、熱雜訊等。固定圖形雜訊產生的原因是一束同樣的光照射到兩個不同的象素上產生的輸出訊號不完全相同。雜訊正是這樣被引入的。對付固定圖形雜訊可以應用雙採樣或相關雙採樣技術。具體地說來有點像在設計類比放大器時引入差分對來抑制共模雜訊。雙採樣是先讀出光照產生的電荷積分訊號，暫存然後對象素單元進行複位，再讀取此象素單元地輸出訊號。兩者相減得出映像訊號。兩種採樣均能有效抑制固定圖形雜訊。另外，相關雙採樣需要臨時儲存單元，隨著象素地增加，儲存單元也要增加。

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4.2 暗電流

物理器件不可能是理想的，如同亞閾值效應一樣，由於雜質、受熱等其他原因的影響，即使沒有光照射到象素，象素單元也會產生電荷，這些電荷產生了暗電流。暗電流與光照產生的電荷很難進行區分。暗電流在像素陣列各處也不完全相同，它會導致固定圖形雜訊。對於含有積分功能的像素單元來說，暗電流所造成的固定圖形雜訊與積分時間成正比。暗電流的產生也是一個隨機過程，它是散彈雜訊的一個來源。因此，熱雜訊元件所產生的暗電流大小等於像素單元中的暗電流電子數的平方根。當長時間的積分單元被採用時，這種類型的雜訊就變成了影響映像訊號品質的主要因素，對於昏暗物體，長時間的積分是必要的，並且像素單元電容容量是有限的，於是暗電流電子的積累限制了積分的最長時間。

為減少暗電流對映像訊號的影響，首先可以採取降溫手段。但是，僅對晶片降溫是遠遠不夠的，由暗電流產生的固定圖形雜訊不能完全通過雙採樣克服。現在採用的有效方法是從已獲得的映像訊號中減去參考暗電流訊號。

4.3 象素的飽和與溢出模糊

類似於放大器由於線性區的範圍有限而存在一個輸入上限，對於CMOS映像感測晶片來說，它也有一個輸入的上限。輸入光訊號若超過此上限，像素單元將飽和而不能進行光電轉換。對於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：對於不含積分功能的像素單元，該上限由流過光電二極體或三極體的最大電流決定。在輸入光訊號飽和時，溢出模糊就發生了。溢出模糊是由於像素單元的光電子飽和進而流出到鄰近的像素單元上。溢出模糊反映到映像上就是一片特別亮的地區。這有些類似於照片上的曝光過度。溢出模糊可通過在像素單元內加入自動泄放管來克服，泄放管可以有效地將過剩電荷排出。但是，這隻是限制了溢出，卻不能使象素能真實還原出映像了。

5 CMOS映像感應器的市場狀況

據市場調研公司Cahners In-stat Group預測，未來幾年內，基於CMOS映像感應器的影像產品將達到50%以上，也就是說，到時CMOS 映像感應器將取代CCD而成為市場的主流。可見，CMOS攝像機的市場前景非常廣闊 .

今後幾年，全球CMOS映像感應器銷售量將迅速增加，並將在許多數位影像應用領域向傳統的CCD發起衝擊。這是因為CMOS映像感應器件具有兩大優點：一是價格比CCD 器件低15%~25%;二是其晶片的結構可方便地與其它矽基元器件整合，從而可有效地降低整個系統的成本。儘管過去CMOS映像感應器的映像品質比CCD差且解析度低，然而經過迅速改進，已不斷逼近CCD的技術水平，目前這種感應器件已廣泛應用於對解析度要求較低的數位相機、電子玩具、電視會議和保安系統的攝像結構中。

日本Nintendo有限公司推出的採用CMOS映像感應器的低解析度數位相機，上市頭兩個月，銷售量就達100萬台。三菱公司、摩托羅拉、惠普、東芝和Intel公司也緊接著上市該類產品。

6 CMOS映像感應器件的應用

6.1 數位相機

人們使用菲林照相機已經上百年了，20世紀80年代以來，人們利用高新技術，發展了不用菲林的CCD數位相機。使傳統的菲林照相機產生了根本的變化。電可寫可控的廉價FLASH ROM的出現，以及低功耗、低價位的CMOS網路攝影機的問世。為數位相機開啟了新的局面，數位相機功能框圖如右所示。

可以看出，數位相機的內部裝置已經和傳統照相機完全不同了，彩色CMOS網路攝影機在電子快門的控制下，攝取一幅照片存於DRAM中，然後再轉至FLASH ROM中存放起來。根據FLASH ROM的容量和映像資料的壓縮水平，可以決定能存照片的張數。如果將ROM換成PCMCIA卡，就可以通過換卡，擴大數位相機的容量，這就像更換菲林一樣，將數位相機的數位影像資訊轉存至PC機的硬碟中存貯，這就大大方便了照片的存貯、檢索、處理、編輯和傳送。

6.2 CMOS數字攝像機

美國Omni Vison公司推出的由OV7610型CMOS彩色數位影像晶片和OV511型進階攝像機以及USB介面晶片所組成的USB攝像機，其解析度高達640 x 480，適用於通過通用序列匯流排傳輸的視頻系統。OV511型進階攝像機的推出，可使得PC機能以更加即時的方法擷取大量視頻資訊，其壓縮晶片的壓縮比可以達到7:1，從而保證了映像感應器到PC機的快速映像傳輸。對於CIF映像格式，OV511型可支援高達30幀/秒的傳輸速率、減少了低頻寬應用中通常會出現的映像跳動現象。OV511型作為高效能的USB介面的控制器，它具有足夠的靈活性，適合包括視頻會議、視頻電子郵件、電腦多媒體和保安監控等場合應用。

6.3 其他領域應用

CMOS映像感應器是一種多功能感應器，由於它兼具CCD映像感應器的效能，因此可進入CCD的應用領域，但它又有自己獨特的優點，所以開拓了許多新的應用領域。除了上述介紹的主要應用之外，CMOS映像感應器還可應用於數字靜態攝像機和醫用小型攝像機等。例如，心臟外科醫生可以在患者胸部安裝一個小“矽眼”，以便在手術後監視手術效果，CCD就很難實現這種應用。

7 總結

以上從與CCD的對比開始，介紹CMOS映像感應器器件物理層次的原理、效能、優點、不足及應對措施;之後談及了CMOS映像感應器的市場狀況以及一些應用領域。從中可以看出，作為一種新生的半導體器件，CMOS以其自身的特點表現出了極大的優勢和潛力，這種潛力將在不久的未來進一步得到發揮。

原文http://ic.big-bit.com/news/141443.html

CMOS映像感應器基本原理與應用簡介