1 引言
图像传感器是一种将光信号转换为电信号的装置，广泛应用于数字电视和视觉通信市场。20世纪60年代末，贝尔实脸室发现电荷通过半导体势圈转移，提出了固态成像的新概念和一维概念CCD(Charge-Coupled Device 电荷耦合器件)模型器件。CCD该技术已经变热，并得到了广泛的应用。但随着它的发展CCD扩大应用范围，其缺点逐渐暴露。CCD技术芯片技术复杂，不能与标准技术兼容。CCD因此，技术芯片所需的电压功耗很大CCD技术芯片价格昂贵，使用不方便。
目前最引人注目、最有发展潜力的是采用标准CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor 互补金属氧化物场效应管)生产图像传感器的技术CMOS图像传感器。CMOS图像传感器芯片采用CMOS图像采集单元和信号处理单元可以集成到同一块芯片上面。由于上述特点，适合大规模生产，适合小尺寸、低价格、摄像质量，如安全小、微相机、手机、计算机网络视频会议系统、无线手持视频会议系统、条形码扫描仪、传真机、玩具、生物显微计数、部分汽车摄像系统等大量商业领域。20世纪80年代，爱丁堡大学成功地创造了世界上第一个单片CMOS图像传感器件。CMOS图像传感器正在得到广泛的应用，具有很强地市场竞争力和广阔地发展前景。
2 CMOS图像传感器的基本工作原理
首先，外部光照像素阵列产生光电效应，并在像素单元中产生相应的电荷。根据需要选择逻辑单元并选择相应的行像素单元。行像素单元中的图像信号通过各自列的信号总线传输到相应的模拟信号处理单元和A/D转换器转换为数字图像信号输出。行选择逻辑单元可以逐行扫描或分行扫描像素阵列。行选择逻辑单元和列选择逻辑单元可以实现图像的窗口提取功能。模拟信号处理单元的主要功能是放大信号，提高信号噪声比。此外，为了获得合格的实用摄像头，芯片必须包含各种控制电路，如曝光时间控制、自动增益控制等。为了使芯片中的电路按规定的节拍移动，必须使用多个时间序列控制信号。为了方便相机的应用，芯片还需要输出一些时间序列信号，如同步信号、行起始信号、场起始信号等。
3 象素阵列工作原理
图像传感器的直观性能指标是复制图像的能力。象素阵列是与该指标直接相关的关键功能模块。根据不同的像素阵列单元结构，像素单元可分为无源像素单元PPS(passive pixel schematic)，有源像素单元APS(active pixel schematic)有源像素单元和对数像素单元APS也可分为光敏二极管APS、光栅型APS.
以上各种象素阵列单元各有特点，但是他们有着基本相同的工作原理。先介绍其基本工作原理，再介绍各种象素单元的特点。下图为单个象素的示意图。
(1) 先进入复位状态M.电容器充电V，二极管处于反向状态；
(2) 然后进入取样状态.关闭门管M，二极管在光下产生光电流，放电储存在电容器上的电荷。经过固定时间间隔后，电容器C保留在上面的电荷量与光成正比，然后将图像摄入到敏感元件阵列中；
(3) 最终进入读出状态.然后打开门管M，各像素中的电容逐一读取C上存贮的电荷电压。
无源像素单元PPS自出现以来，结构变化不大。无源像素单元PPS结构简单，像素填充率高，量子效率高，但有两个显著缺点。首先，它的读取噪音相对较大，其典型值为20个电子，用于商业CCD级技术芯片的典型读出噪声值为20个电子。2、随着像素数量的增加，读出速度加快，读出噪声增加。
光敏二极管型APS量子效率相对较高。由于采用了新的消噪技术，输出图形信号的质量比以前有了很大的提高取噪声一般为75~这种结构的100个电子C3&适用于中低档应用。
在光栅型APS固定图形噪声在结构中受到抑制。读出噪声为10~20个电子。但是它的工艺比较复杂，严格来说不能算完全。CMOS工艺。由于引入多晶硅覆盖层，其量子效率相对较低，尤其是蓝光。目前，其整体性能优势并不十分突出。
4 影响CMOS传感器性能的主要问题
4.1 噪声
这是影响CMOS传感器性能的主要问题。该噪声包括固定图形噪声FPN(Fixed pattern noise)、暗电流噪声、热噪声等。固定图形噪声的原因是一束相同的光照射在两个不同的象素上产生的输出信号不完全相同。这就是引入噪声的原因。双采样或相关双采样技术可用于处理固定图形噪声。具体来说，在设计模拟放大器时引入差异来抑制共模噪声有点像。双采样是先读取光产生的电荷积分信号，然后复位对象素单元，再读取象素单元的输出信号。图像信号减少两者。两种采样都能有效抑制固定图形噪声。此外，相关的双采样需要临时存储单元。随着象素的增加，存储单元也应增加。
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4.2 暗电流
物理设备不可能是理想的，就像亚阈值效应一样，由于杂质、加热和其他原因，即使没有光照射象素，象素单元也会产生暗电流的电荷。暗电流很难区分光产生的电荷。暗电流在像素阵列中并不完全相同，它会导致固定的图形噪声。对于含有积分功能的像素单元，暗电流引起的固定图形噪声与积分时间成正比。暗电流的产生也是一个随机的过程，是散弹性噪声的来源。因此，热噪声元件产生的暗电流大小等于像素单元中暗电流电子数量的平方根。当采用长时间的积分单元时，这种类型的噪声成为影响图像信号质量的主要因素。对于暗物体，需要长时间积分，像素单元的电容有限，因此暗电流电子的积累限制了积分的最长时间。
为了减少暗电流对图像信号的影响，首先可以采用冷却方法。然而，仅仅冷却芯片还远远不够，暗电流产生的固定图形噪声不能完全通过双采样来克服。目前有效的方法是从获得的图像信号中减去暗电流信号。
4.3 象素饱和和溢出模糊
由于线性区域的范围有限，类似于放大器有一个输入上限CMOS对于图像传感芯片，它也有一个输入上限。如果输入光信号超过此上限，像素单元将饱和，而不是光电转换。对于具有积分功能的像素单元，该上限由光电子积分单元的容量决定：对于没有积分功能的像素单元，该上限由流过光电二极管或三极管的最大电流决定。当输入光信号饱和时，就会发生溢出模糊。溢出模糊是由于像素单元的光电子饱和，然后流出到相邻的像素单元。溢出模糊反映在图像上，这是一个特别明亮的区域。这些类似于照片中的过度曝光。溢出模糊可以通过在像素单元中添加自动排放管来克服，排放管可以有效地排出过多的电荷。然而，这只限制了溢出，但不能使象素真正恢复图像。
5 CMOS图像传感器的市场状况
根据市场调研公司Cahners In-stat Group基于预测，未来几年，CMOS图像传感器的图像产品将达到50%以上，即到时候CMOS 将取代图像传感器CCD并成为市场的主流。CMOS摄像机的市场前景非常广阔 .
未来几年，全球CMOS图像传感器的销量将迅速增加，并将在许多数字图像应用领域向传统发展CCD因为CMOS图像传感器有两个优点：一是价格比CCD 器件低15%~25%；其次，芯片的结构可以很容易地与其他硅基元件集成，从而有效地降低整个系统的成本。尽管在过去CMOS图像传感器的图像质量比CCD差，分辨率低，但经过快速改进，不断接近CCD目前，该传感器件已广泛应用于对分辨率要求较低的数字相机、电子玩具、电视会议和安全系统的摄像结构中。
日本Nintendo采用有限公司推出CMOS图像传感器的低分辨率数字相机在上市前两个月销量达到100万台。三菱、摩托罗拉、惠普、东芝和Intel公司也紧接着上市该类产品。
6 CMOS应用图像传感器件
6.1 数码相机
人们已经使用胶卷相机数百年了。自20世纪80年代以来，人们利用高科技开发了无胶卷相机CCD数码相机。传统的胶卷相机发生了根本性的变化。电写可控便宜FLASH ROM以及低功耗、低价的出现CMOS摄像头的出现。数码相机的功能框图如右下图所示。
从图中可以看出，数码相机的内部装置与传统相机完全不同，颜色CMOS在电子快门的控制下，摄像头在电子快门的控制下拍照DRAM中，再转FLASH ROM存放在中间FLASH ROM图像数据的容量和压缩水平可以决定可以存储照片的张数。ROM换成PCMCIA卡可以通过换卡来扩大数码相机的容量，就像换胶卷一样，将数码相机的数字图像信息转存到PC存储在机器的硬盘中，大大方便了照片的存储、检索、处理、编辑和传输。
6.2 CMOS数字摄像机
美国Omni Vison由公司推出OV7610型CMOS彩色数字图像芯片和OV511型高级摄像机和USB由接口芯片组成USB相机的分辨率高达640 x 480适用于通用串行总线传输的视频系统。OV511型高级摄像机的推出可以使PC该功能可以更实时的方式获取大量的视频信息，其压缩芯片的压缩比可以达到7:1，从而传感器到达PC机器的快速图像传输。CIF图像格式，OV511型可支持高达30帧/秒的传输速率，减少低带宽应用中常见的图像跳动。OV511型是高性能的USB接口控制器具有足够的灵活性，适用于视频会议、视频电子邮件、计算机多媒体和安全监控。p>
6.3 其他领域应用
CMOS图像传感器是一种多功能传感器，由于它兼具CCD图像传感器的性能，因此可进入CCD的应用领域，但它又有自己独特的优点，所以开拓了许多新的应用领域。除了上述介绍的主要应用之外，CMOS图像传感器还可应用于数字静态摄像机和医用小型摄像机等。例如，心脏外科医生可以在患者胸部安装一个小“硅眼”，以便在手术后监视手术效果，CCD就很难实现这种应用。
7 总结
以上从与CCD的对比开始，介绍CMOS图像传感器器件物理层次的原理、性能、优点、不足及应对措施;之后谈及了CMOS图像传感器的市场状况以及一些应用领域。从中可以看出，作为一种新生的半导体器件，CMOS以其自身的特点表现出了极大的优势和潜力，这种潜力将在不久的未来进一步得到发挥。
原文http://ic.big-bit.com/news/141443.html
