CMOS圖像傳感器是一種典型的固體成像傳感器，與CCD有著共同的歷史淵源。CMOS圖像傳感器通常由像敏單元陣列、行驅(qū)動器、列驅(qū)動器、時序控制邏輯、AD轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)總線輸出接口、控制接口等幾部分組成這幾部分通常都被集成在同一塊硅片上。其工作過程一般可分為復(fù)位、光電轉(zhuǎn)換、積分、讀出幾部分。

　　在CMOS圖像傳感器芯片上還可以集成其他數(shù)字信號處理電路，如AD轉(zhuǎn)換器、自動曝光量控制、非均勻補(bǔ)償、白平衡處理、黑電平控制、伽瑪校正等，為了進(jìn)行快速計算甚至可以將具有可編程功能的DSP器件與CMOS器件集成在一起，從而組成單片數(shù)字相機(jī)及圖像處理系統(tǒng)。

　　1963年Morrison發(fā)表了可計算傳感器，這是一種可以利用光導(dǎo)效應(yīng)測定光斑位置的結(jié)構(gòu)，成為CMOS圖像傳感器發(fā)展的開端。1995年低噪聲的CMOS有源像素傳感器單片數(shù)字相機(jī)獲得成功。

　　CMOS圖像傳感器具有以下幾個優(yōu)點：1)、隨機(jī)窗口讀取能力。隨機(jī)窗口讀取操作是CMOS圖像傳感器在功能上優(yōu)于CCD的一個方面，也稱之為感興趣區(qū)域選取。此外，CMOS圖像傳感器的高集成特性使其很容易實現(xiàn)同時開多個跟蹤窗口的功能。2)、抗輻射能力?？偟膩碚f，CMOS圖像傳感器潛在的抗輻射性能相對于CCD性能有重要增強(qiáng)。3)、系統(tǒng)復(fù)雜程度和可靠性。采用CMOS圖像傳感器可以大大地簡化系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)。4)、非破壞性數(shù)據(jù)讀出方式。5)、優(yōu)化的曝光控制。值得注意的是，由于在像元結(jié)構(gòu)中集成了多個功能晶體管的原因，CMOS圖像傳感器也存在著若干缺點，主要是噪聲和填充率兩個指標(biāo)。鑒于CMOS圖像傳感器相對優(yōu)越的性能，使得CMOS圖像傳感器在各個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

CMOS圖像傳感器基本工作原理

　　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)量合格的實用攝像頭，芯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。為了使芯片中各部分電路按規(guī)定的節(jié)拍動作，必須使用多個時序控制信號。為了便于攝像頭的應(yīng)用，還要求該芯片能輸出一些時序信號，如同步信號、行起始信號、場起始信號等。

　　象素陣列工作原理

　　圖像傳感器一個直觀的性能指標(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(activepixel 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，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。下圖是單個象素的示意圖。

　　(1)首先進(jìn)入“復(fù)位狀態(tài)”,此時打開門管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)過一個固定時間間隔后，電容C上存留的電荷量就與光照成正比例，這時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)”.這時再打開門管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(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，但它有兩個顯著的缺點。一是，它的讀出噪聲比較大，其典型值為20個電子，而商業(yè)用的CCD級技術(shù)芯片其讀出噪聲典型值為20個電子。二，隨著像素個數(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。

影響CMOS傳感器性能的主要問題

　　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)。具體地說來有點像在設(shè)計模擬放大器時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)雙采樣需要臨時存儲單元，隨著象素地增加，存儲單元也要增加。

　　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同，它會導(dǎo)致固定圖形噪聲。對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間成正比。暗電流的產(chǎn)生也是一個隨機(jī)過程，它是散彈噪聲的一個來源。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)長時間的積分單元被采用時，這種類型的噪聲就變成了影響圖像信號質(zhì)量的主要因素，對于昏暗物體，長時間的積分是必要的，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時間。

　　為減少暗電流對圖像信號的影響，首先可以采取降溫手段。但是，僅對芯片降溫是遠(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。現(xiàn)在采用的有效的方法是從已獲得的圖像信號中減去參考暗電流信號。

　　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輸入上限，對于CMOS圖像傳感芯片來說，它也有一個輸入的上限。輸入光信號若超過此上限，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。在輸入光信號飽和時，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的曝光過度。溢出模糊可通過在像素單元內(nèi)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，這只是限制了溢出，卻不能使象素能真實還原出圖像了。

CMOS圖像傳感器的市場狀況

　　據(jù)市場調(diào)研公司Cahners In-stat Group預(yù)測，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CMOS圖像傳感器將取代CCD而成為市場的主流?？梢姡珻MOS攝像機(jī)的市場前景非常廣闊.

　　今后幾年，全球CMOS圖像傳感器銷售量將迅速增加，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。這是因為CMOS圖像傳感器件具有兩大優(yōu)點：一是價格比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)用于對分辨率要求較低的數(shù)字相機(jī)、電子玩具、電視會議和保安系統(tǒng)的攝像結(jié)構(gòu)中。

CMOS圖像傳感器件的應(yīng)用

　　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FLASH ROM的出現(xiàn)，以及低功耗、低價位的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。

　　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PCMCIA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。

　　2.CMOS數(shù)字?jǐn)z像機(jī)

　　美國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型高級攝像機(jī)的推出，可使得PC機(jī)能以更加實時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。對于CIF圖像格式，OV511型可支持高達(dá)30幀/秒的傳輸速率、減少了低帶寬應(yīng)用中通常會出現(xiàn)的圖像跳動現(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，適合包括視頻會議、視頻電子郵件、計算機(jī)多媒體和保安監(jiān)控等場合應(yīng)用。

　　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，但它又有自己獨特的優(yōu)點，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小“硅眼”,以便在手術(shù)后監(jiān)視手術(shù)效果，CCD就很難實現(xiàn)這種應(yīng)用。

　　4.應(yīng)用于X光機(jī)市場

　　在牙科用X光機(jī)市場上，用于從口腔內(nèi)側(cè)給1～2顆牙拍攝X光片的小型CMOS傳感器在歐洲已達(dá)到實用水平，在美國也在推廣。而在從口腔外側(cè)拍攝全景X光片的X光機(jī)領(lǐng)域，今后仍將以CCD傳感器為主。

　　以上從與CCD的對比開始，介紹CMOS圖像傳感器器件物理層次的原理、性能、優(yōu)點、不足及應(yīng)對措施;之后談及了CMOS圖像傳感器的市場狀況以及一些應(yīng)用領(lǐng)域。從中可以看出，作為一種新生的半導(dǎo)體器件，CMOS以其自身的特點表現(xiàn)出了極大的優(yōu)勢和潛力，這種潛力將在不久的未來進(jìn)一步得到發(fā)揮。