CMOS图像传感器的研究进展_李继军.

. net光学制造1内蒙古工业大学理学院, 内蒙古呼和浩特 0100512北京师范大学遥感与 GIS 研究中心遥感科学国家重点实验室, 北京 10087! " 5Li Jijun 1Du Yungang 1Zhang Lihua 1, 2Liu Quanlong 1Chen Jianrui 11School of Science, Inner Mongolia University of Technology , Hohhot, Inner Mongolia 010051, China,2State Key Laboratory of Remote Sensing Science, Research Center of Remote Sensing &GIS,Beijing Normal University ,Beijing 100875, China#$$$$$$$$$$$%&’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ (摘要 20世纪 90年代以来, 随着超大规模集成 (VLSI 技术的发展, CMOS 图像传感器显示出强劲的发展势头。

简要介绍了 CMOS 图像传感器的结构及工作原理, 详细比较了 CMOS 图像传感器与 CCD 的性能特点, 讨论了 CMOS 图像传感器的关键技术问题,并给出了相应的解决途径,综述了 CMOS 图像传感器的国内外研究现状, 最后对 CMOS 图像传感器的发展趋势进行了展望。

关键词光电子学; 传感器; CMOS 图像传感器; CCD ; 关键技术问题 AbstractSince the 1990s, with the development of very large scale integration (VLSI,CMOS image sensors have been developed rapidly. The structure and working principle of CMOS image sensors are introduced. The performances between CMOS image sensor and CCD are compared in detail. The key technical problems of CMOS image sensors are discussed, and the related solving ways are given. The development situation of CMOS image sensors at home and abroad is reviewed, and the development trends of CMOS image sensors are prospected.Key words optoelectronics; sensor; CMOS image sensor; CCD; key technical problem 中图分类号 O436doi :10.3788/LOP20094604.00451引言CMOS 图像传感器的研究始于 20世纪 60年代末, 受当时工艺技术的限制, 发展和应用有限。

直到 20世纪 90年代初,随着大规模集成电路设计技术和信号处理技术的提高, CMOS 图像传感器才日益受到重视 [1~3],成为固体图像传感器的研发热点。

近几年来, 随着集成电路设计技术和工艺水平的长足进步 , CMOS 图像传感器的一些性能指标已接近甚至超过CCD 图像传感器 [4~6]。

本文简要介绍了 CMOS 图像传感器的结构及工作原理,详细比较了 CMOS 图像传感器与 CCD 的性能特点,讨论了 CMOS 图像传感器的关键技术问题, 并给出了相应的解决途径, 综述了 CMOS 图像传感器的国内外研究现状, 最后对 CMOS 图像传感器的发展趋势进行了展望。

2结构及工作原理CMOS 图像传感器的总体结构如图 1所示[7~9],一般由像素阵列、行选通逻辑、列选通逻辑、定时和控制电路、在片模拟信号处理器 (ASP 构成,高级的 CMOS 图像传感器还集成有在片模数转换器(ADC 。

行选通逻辑和列选通逻辑可以是移位寄存器, 也CMOS 图像传感器的研究进展Research Progress on CMOS Image Sensors45OPTICAL MANUFACTURE可以是译码器, 其中的行选通逻辑单元可以对像素阵列逐行扫描也可隔行扫描。

行选通逻辑单元与列选通逻辑单元配合使用可以实现图像的窗口提取功能。

定时和控制电路限制信号读出模式、设定积分时间、控制数据输出率等。

在片模拟信号处理器是完成相关双取样、信号积分、放大、取样 /保持、双Δ取样等功能, 对信号进行放大处理, 提高信噪比 (SNR 。

在片模数转换器是数字成像系统所必需的, CMOS 图像传感器可以是整个成像阵列有一个 ADC 或几个 ADC (每种颜色一个 , 也可以是成像阵列每列各一个。

外界光照射像素阵列, 发生光电效应, 在像素单元内产生相应的电荷。

行选通逻辑单元根据需要, 选通相应的行像素单元。

行像素单元内的图像信号通过各自所在列的信号总线传输到对应的模拟信号处理单元以及 ADC , 转换成数字图像信号输出。

与 CCD 相比, 这种结构提供了随机进入像元、以非常高的帧速率直接开窗口的能力,同时避免了 CCD 中大量电荷转移很长距离的情况。

3CMOS 图像传感器与 CCD 的性能比较 3.1灵敏度灵敏度代表图像传感器的光敏单元收集光子产生电荷信号的能力。

CCD 的感光信号以行为单位传输, 电路占据像素的面积比较小, 这样像素点对光的感受就高些; 而 CMOS 图像传感器的每个像素由多个晶体管与一个感光二极管构成 (含放大器与 A /D转换电路 ,使得每个像素的感光区域只占据像素本身很小的面积, 像素点对光的感受就低。

因此, 在像素尺寸相同的情况下, CCD 图像传感器的灵敏度要高于 CMOS 图像传感器。

3.2分辨率CMOS 图像传感器上集成有放大器、定时器和ADC 等电路, 每个像素都比 CCD 复杂, 因而电路所占像素的面积也大, 所以相同尺寸的传感器, CCD 可以做得更密。

通常 CCD 图像传感器的分辨率会优于CMOS 图像传感器。

3.3噪声CCD 与 CMOS 图像传感器在结构上的不同, 使得它们的读出噪声有很大的差别。

CCD 中的噪声主要是在最高带宽产生的, 而 CMOS 图像传感器由于采用的是列并行结构, 因此噪声带宽是由行读出带宽决定的。

CCD 中噪声随视频频率的增加而增加, 而 CMOS 图像传感器的噪声与视频频率无关。

由于 CMOS 图像传感器每个像元都需搭配一个放大器, 如果以百万像素计, 那么就需要百万个以上的放大器。

而放大器属于模拟电路, 很难让每个放大器所得到的结果保持一致。

因此与只有一个放大器放在芯片边缘的 CCD 图像传感器相比, CMOS 图像传感器的噪声就会增加很多, 这将会影响到图像品质。

3.4响应均匀性理想状态下各个像元在均匀光照的条件下的输出应当是相同的,但是由于硅圆片工艺的微小变化、硅片及工艺加工引入缺陷、放大器变化等导致图像传感器光响应不均匀。

响应均匀性包括有光照和无光照 (暗环境两种环境条件。

CMOS 图像传感器由于每个像元中均有开环放大器, 器件加工工艺的微小变化导致放大器的偏置及增益产生可观的差异, 且随着像元尺寸进一步缩小, 差异将进一步扩大, 这使得在有光照和暗环境两种条件下 CMOS 图像传感器的响应均匀性较 CCD 有较大差距。

尽管如此, 可以采用反馈放大器等技术改进 CMOS 图像传感器在有光照条件下的均匀性, 使之接近 CCD 的水平。

另一方面, 尽管 CMOS 图像传感器研制者投入大量的努力降低暗环境下器件响应的非均匀性, 但是现在它仍然无法达到CCD 的水平。

这个参数在高速应用中尤为重要, 因为在高速应用中由于信号弱, 暗环境条件下的非均匀性将显著降低图像质量。

3.5速度由于 CCD 采用串行连续扫描的工作方式,必须一次性读出整行或整列的像素数据。

而 CMOS 图像传感器由于采用单点信号传输, 通过简单的 X-Y 寻址技术, 允许从整个排列、部分甚至单元来读出数据, 从而提高寻址速度, 实现更快的信号传输, 而且能对局部像素图像进行随机访问, 增加了工作灵活性。

通常的 CCD 图像传感器的信号读出速率不超过 70Mpixels/s, CMOS 图像传感器信号读出速率可达 1000Mpixels/s[10~13]。

图 1CMOS 图像传感器结构 46光学制造3.6集成性目前, 绝大部分 CCD 的驱动电路及模拟、数字处理电路尚未集成在同一芯片上。

而 CMOS 图像传感器同 VLSI 之间具有良好的兼容性,可以把驱动与控制系统 (CDS 、 ADC 和信号处理等电路集成在一块芯片上 [14], 形成单片高集成度数字成像系统。

这一点对于日益得到广泛应用的微型成像系统尤其重要。

随着微加工技术的不断发展, 系统的集成度将不断提高。

3.7功耗CMOS 图像传感器的图像采集方式为主动式, 即感光二极管所产生的电荷会直接由晶体管放大输出; 而 CCD 为被动式采集,必须外加电压让每个像素中的电荷移动至传输通道。

而这外加电压通常需要 12~ 18V 。

因此 ,CCD 还必须有更精密的电源线路设计和耐压强度。

由此可见, CCD 需要外部控制信号和时钟信号来获得满意的电荷转移效率, 还需要多个电源和电压调节器, 因此功耗大。

CMOS 图像传感器使用单一工作电压, 功耗低, 仅相当于 CCD 功耗的 1/8, 在节能方面具有很大的优势, 有利于延长便携式、机载或星载电子设备的使用时间。

3.8成本由于 CMOS 图像传感器采用标准的半导体制造工艺, 可以轻易地将周边电路(如 AGC , CDS , 时钟和 DSP 等集成到传感器芯片中, 因此可以节省外围芯片的成本; 而 CCD 图像传感器需要特殊工艺, 使用专用生产流程,而且控制 CCD 图像传感器的成品率会比 CMOS 图像传感器困难的多。

因此, 与 CCD 相比, CMOS 图像传感器在制造成本上具有优势。

3.9响应范围CMOS 图像传感器除了对可见光, 对红外光也非常敏感, 在 890~980nm 范围内其灵敏度远高于 CCD 图像传感器的灵敏度, 并且随波长增加而衰减的梯度也相对较慢。

如能设计制造出在1~3μm 波长范围内敏感的 CMOS 图像传感器, 在夜战和夜间监控上将有更广泛的应用。