1、引言

　　20世紀70年代，CCD圖像傳感器和CMOS圖像傳感器同時起步。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上獨樹一幟。但最初市場上的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，圖像質量還無法與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，把噪聲進一步降低，CMOS圖像傳感器的圖像質量就可以達到或略微超過CCD圖像傳感器的水平，同時能保持體積小、重量輕、功耗低、集成度高、價位低等優(yōu)點，如此，CMOS圖像傳感器取代CCD圖像傳感器就會成為事實。

　　由于CMOS圖像傳感器的應用，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)濟規(guī)模的形成，其生產(chǎn)成本也得到降低?，F(xiàn)在，CMOS圖像傳感器的畫面質量也能與CCD圖像傳感器相媲美，這主要歸功于圖像傳感器芯片設計的改進，以及亞微米和深亞微米級設計增加了像素內部的新功能。

　　實際上，更確切地說，CMOS圖像傳感器應當是一個圖像系統(tǒng)。一個典型的CMOS圖像傳感器通常包含：一個圖像傳感器核心（是將離散信號電平多路傳輸?shù)揭粋€單一的輸出，這與CCD圖像傳感器很相似），所有的時序邏輯、單一時鐘及芯片內的可編程功能，比如增益調節(jié)、積分時間、窗口和模數(shù)轉換器。事實上，當一位設計者購買了CMOS圖像傳感器后，他得到的是一個包括圖像陣列邏輯寄存器、存儲器、定時脈沖發(fā)生器和轉換器在內的全部系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的CCD 圖像系統(tǒng)相比，把整個圖像系統(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格更低的優(yōu)點。

圖1 早期的CCD圖像傳感器

　　2、基本原理

　　從某一方面來說，CMOS圖像傳感器在每個像素位置內都有一個放大器，這就使其能在很低的帶寬情況下把離散的電荷信號包轉換成電壓輸出，而且也僅需要在幀速率下進行重置。CMOS圖像傳感器的優(yōu)點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。這種被稱為PPS的技術，噪聲性能很不理想，而且還引來對CMOS圖像傳感器的種種干擾。

　　然而今天，隨著制作工藝的提高，使在像素內部增加復雜功能的想法成為可能?，F(xiàn)在，在像素位置以內已經(jīng)能增加諸如電子開關、互阻抗放大器和用來降低固定圖形噪聲的相關雙采樣保持電路以及消除噪聲等多種附加功能。實際上，在Conexant公司（前Rockwell半導體公司）的一臺先進的CMOS 攝像機所用的CMOS圖傳感器上，每一個像素中都設計并使用了6個晶體管，測試到的讀出噪聲只有1均方根電子。不過，隨著像素內電路數(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，這是因為每個像素位置上的微小透鏡都能改變入射光線的方向，使得本來會落到連接點或晶體管上的光線重回到對光敏感的二極管區(qū)域。

　　因為電荷被限制在像素以內，所以CMOS圖像傳感器的另一個固有的優(yōu)點就是它的防光暈特性。在像素位置內產(chǎn)生的電壓先是被切換到一個縱列的緩沖區(qū)內，然后再被傳輸?shù)捷敵龇糯笃髦?，因此不會發(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像素中放大器的閾值電壓都有細小的差別，這種不均勻性就會引起固定圖像噪聲。然而，隨著CMOS圖像傳感器的結構設計和制造工藝的不斷改進，這種效應已經(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用圖像技術的地方現(xiàn)在也變得可行了，如孩子的玩具，更加分散的保安攝像機、嵌入在顯示器和膝上型計算機顯示器中的攝像機、帶相機的移動電路、指紋識別系統(tǒng)、甚至于醫(yī)學圖像上所使用的一次性照相機等，這些都已在某些設計者的考慮之中。

　　3設計考慮

　　然而，這個行業(yè)還有一個受到普遍關注的問題，那就是測量方法，具體指標、陣列大小和特性等方面還缺乏統(tǒng)一的標準。每一位工程師在比較各種資料一覽表時，可能會發(fā)現(xiàn)在一張表上列出的是關于讀出噪聲或信噪比的資料，而在另一張表上可能只是強調關于動態(tài)范圍或最大勢阱容量的資料。因此，這就要求設計者們能夠判斷哪一個參數(shù)對他們最重要，并且盡可能充分利用多產(chǎn)品的CMOS圖像傳感器家族。

　　一些關鍵的性能參數(shù)是任何一種圖像傳感器都需要關注的，包括信噪比、動態(tài)范圍、噪聲（固定圖形噪聲和讀出噪聲）、光學尺寸以及電壓的要求。應當知道并用來對比的重要參數(shù)有：最大勢阱容量、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出來的。

　　對于像保安攝像機一類的低照度級的應用，讀出噪聲和量子效應最重要。然而對于象戶外攝影一類的中、高照度級的應用，比較大的最大勢阱容量就顯得更為重要。

　　動態(tài)范圍和信噪比是最容易被誤解和誤用的參數(shù)。動態(tài)范圍是最大勢阱容量與最低讀出噪聲的比值，它之所以引起誤解，是因為讀出噪聲經(jīng)常不是在典型的運行速度下測得的，而且暗電流散粒噪聲也常常沒有被計算在內。信噪比主要決定于入射光的亮度級（事實上，在亮度很低的情況下，噪聲可能比信號還要大）。

　　所以，信噪比應該將所有的噪聲源都考慮在內，有些資料一覽表中常常忽略散粒噪聲，而它恰恰是中、高信號電平的主要噪聲來源。而SNRDARK得到說明，實際上與動態(tài)范圍沒有什么兩樣。數(shù)字信噪比或數(shù)字動態(tài)范圍是另一個容易引起混淆的概念，它表明的只是模擬/數(shù)字（A/D）轉換器的一個特性。雖然這可能很重要，但它并不能精確地描述圖像的質量。同時我們也應清楚地認識到，當圖像傳感器具有多個可調模擬增益設置時，模擬/數(shù)字轉換器的分辨率不會對圖像傳感器的動態(tài)范圍產(chǎn)生限制。

　　光學尺寸的概念的模糊，是由于傳統(tǒng)觀念而致。使用光導攝像管只能在部分范圍內產(chǎn)生有用的圖像。它的計算包括度量單位的轉換和向上舍入的方法。采用向上舍入的方法，先以毫米為單位測量圖像傳感器的對角線除以16，就能得到以英寸為單位的光學尺寸。例如0.97cm的尺寸是1.27cm而不是 0.85cm。假如你選擇了一個光學尺寸為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。這是因為有些資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，理由很簡單：0.85cm光學尺寸的圖像傳感器的價格要比1.27cm光學尺寸的圖像傳感器的價格低得多，但是這對系統(tǒng)工作性能產(chǎn)生不利影響。所以，設計者應該通過計算試用各種不同的圖像傳感器來得到想要的性能。

　　CMOS圖像傳感器的一個很大的優(yōu)點就是它只要求一個單電壓來驅動整個裝置。不過設計者仍應謹慎地布置電路板驅動芯片。根據(jù)實際要求，數(shù)字電壓和模擬電壓之間盡可能地分離開以防止串擾。因此良好的電路板設計，接地和屏蔽就顯得非常重要。盡管這種圖像傳感器是一個CMOS裝置并具有標準的輸入/輸出（I/O）電壓，但它實際的輸入信號相當小，而且對噪聲也很敏感。

　　到目前為止，已設計出高集成度單芯片CMOS圖像傳感器。設計者力求使有關圖像的應用更容易實現(xiàn)多功能，包括自動增益控制（AGC）、自動曝光控制（AEC）、自動平衡（AMB）、伽瑪樣正、背景補償和自動黑電平校正。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總線對攝像機編程，具有動態(tài)范圍寬、抗浮散且?guī)缀鯖]有拖影的優(yōu)點。

　　4、CMOS APS的潛在優(yōu)點和設計方法

　　4．1CMOS APS勝過CCD圖像傳感器的潛在優(yōu)點

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

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

　　2）工作電流很小，可以防止單一振動和信號閉鎖。

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

　　4．2CMOS APS的設計方法

　　CMOS APS的設計方法包括：

　　1）為了降低暗電流而進行研制創(chuàng)新的像素結構。

　　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（通過反復地開發(fā)最佳像素結構）。

　　3）研制在芯片上進行信號處理的器件，以適應自動調節(jié)本身電壓Vt的漂移和動態(tài)范圍的損失。

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

　　5）研制和加固耐輻射的模/數(shù)轉換器。

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

　　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）測試、評價和鑒定該器件的性能。

　　9）引入當代最高水平的組合式光學通信/成像系統(tǒng)測試臺。

　　5、像素電路結構設計

　　目前，已設計的CMOS圖像傳感器像素結構有：空隙積累二極管（HAD）型結構、光電二極管型無源像素結構、光電二極管型有源像素結構、對數(shù)變換積分電路型結構、掩埋電荷積累和敏感晶體管陣列（BCAST）型結構、低壓驅動掩埋光電二極管（LV－BPD）型結構、深P阱光電二極管型結構、針型光電二極管（PPD）結構和光柵型有源像素結構等。

　　5．1CMOS PPS像素結構設計

　　光電二極管型CMOS無源像素傳感器（CMOS PPS）的結構自從1967年Weckler首次提出以來實質上一直沒有變化，其結構如圖1所示。它由一個反向偏置的光敏二極管和一個開關管構成。當開關管開啟時，光敏二極管與垂直的列線連通。位于列線末端的電荷積分放大器讀出電路保持列線電壓為一常數(shù)，并減小KTC噪聲。當光敏二極管存貯的信號電荷被讀出時，其電壓被復位到列線電壓水平，與此同時，與光信號成正比的電荷由電荷積分放大器轉換為電荷輸出。

　　單管的PD CMOS PPS允許在給定的像素尺寸下有最高的設計填充系數(shù)，或者在給定的設計填充系數(shù)下，可以設計出最小的像素尺寸。另外一個開關管也可以采用，以實現(xiàn)二維的X Y尋址。由于填充系數(shù)高且沒有許多CCD中多晶硅疊層，CMOS PPS像素結構的量子效率較高。但是，由于傳輸線電容較大，CMOS? PPS讀出噪聲較高，典型值為250個均方根電子，這是致命的弱點。

　　5．2 CMOS APS的像素結構設計

　　幾乎在CMOS PPS像素結構發(fā)明的同時，科學家很快認識到在像素內引入緩沖器或放大器可以改善像素的性能。雖然CMOS圖像傳感器的成像裝置將光子轉換為電子的方法與CCD相同，但它不是時鐘驅動，而是由晶體三極管作為電荷感應放大器。在一些CMOS圖像傳感器中，每組像素的頂端有一個放大器，每個像素只有一個作為閾值電流值開關的三極管。開關像素中的電荷為放大器充電，其過程類似DRAM中的讀取電路，這種傳感器被稱為PPS。PPS的結構很簡單，它具有高填充系數(shù)。各像元沒有很多的多晶硅層覆蓋，其量子效率很高，但是PPS的讀取干擾很高，只適應于小陣列傳感器。

　　在CMOS APS中每一像素內都有自己的放大器。CMOS APS的填充系數(shù)比CMOS PPS的小，集成在表面的放大晶體管減少了像素元件的有效表面積，降低了“封裝密度”，使40％～50％的入射光被反射。這種傳感器的另一個問題是，如何使傳感器的多通道放大器之間有較好的匹配，這可以通過降低殘余水平的固定圖形噪聲較好地實現(xiàn)。由于CMOS APS像素內的每個放大器僅在此讀出期間被激發(fā)，所以CMOS APS的功耗比CCD圖像傳感器的還小。與CMOS PPS相比，CMOS－APS的填充系數(shù)較小，其設計填充系數(shù)典型值為20％～30％，接近內線轉換CCD的值。

　　5．2．1 光敏二極管CMOS APS（PD CMOS APS）的像素結構

　　1968年，Noble描述了PD CMOS APS。后來，這種像素結構有所改進。PD CMOS APS的像素結構如圖2所示。

　　高性能CMOS APS由美國哥倫比亞大學電子工程系和噴氣推進實驗室（JPL）在1994年首次研制成功，像素數(shù)為128×128，像素尺寸為40μm×40μm，管芯尺寸為6.8mm×6.8mm，采用1.2μmCMOSn阱工藝試制，動態(tài)范圍為72dB，固定圖形噪聲小于0.15％飽和信號水平。固定圖形噪聲小于0.15％飽和信號水平。1997年***東芝公司研制成功了640×480像素光敏二極管型CMOS APS，其像素尺寸為 5.6μm×5.6μm，具有彩色濾色膜和微透鏡陣列。2000年美國Foveon公司與美國國家半導體公司采用0.18μmCMOS工藝研制成功 4096×4096像素CMOS APS［10］，像素尺寸為5μm×5μm，管芯尺寸為22mm×22mm，這是迄今為止世界上集成度最高、分辨率最高的CMOS固體攝像器件。有關CMOS APS的工作原理、發(fā)展現(xiàn)狀及其應用，筆者已作過詳細介紹［6］～［8］。

　　因為光敏面沒有多晶硅疊層，PD CMOS APS的量子效率較高，它的讀出噪聲由復位噪聲限制，典型值為75均方根電子～100均方根電子。PD CMOS APS的每個像素采用3個晶體管，典型的像元間距為15μm。PD CMOS APS適宜于大多數(shù)低性能應用。

　　5．2．2 光柵型CMOS APS（PG CMOS APS）的像素結構

　　1993年由JPL最早研制成功PG CMOS APS并用于高性能科學成像的低光照明成像。PG CMOS APS結合了CCD和X Y尋址的優(yōu)點，其結構如圖3所示。

　　光柵信號電荷積分在光柵（PG）下，浮置擴散點（A）復位（電壓為VDD），然后改變光柵脈沖，收集在光柵下的信號電荷轉移到擴散點，復位電壓水平與信號電壓水平之差就是傳感器的輸出信號。

　　當采用雙層多晶硅工藝時，PG與轉移柵（TX）之間要恰當交疊。在光柵與轉移柵之間插入擴散橋，可以采用單層多晶硅工藝，這種擴散橋要引起大約100個電子的拖影。

　　光柵型CMOS APS每個像素采用5個晶體管，典型的像素間距為20μm（最小特征尺寸）。采用0.25μmCMOS工藝將允許達到5μm的像素間距。浮置擴散電容的典型值為10－14F量級，產(chǎn)生20μV/e的增益，讀出噪聲一般為10均方根電子～20均方根電子，已有讀出噪聲為5均方根電子的報道。

　　CMOS圖像傳感器的設計分為兩大部分，即電路設計和工藝設計，CMOS圖像傳感器的性能好壞，不僅與材料、工藝有關，更重要的是取決于電路設計和工藝流程以及工藝參數(shù)設計。這對設計人員提出更高的要求，設計人員面要寬，在設計中，不但要懂電路、工藝、系統(tǒng)方面的知識，還要有較深的理論知識。這個時代對設計者來說是一個令人興奮和充滿挑戰(zhàn)的時代。計算機輔助設計技術為設計者提供了極大的方便，但圖像系統(tǒng)的用途以及目標用戶的范圍由制造商決定。如果用戶裝有Windows95的系統(tǒng)，那么就要確定圖像系統(tǒng)不是Windows98的。如果你只是為了獲取并存儲大量的低分辨率圖像，那就不要選擇一個能夠提供優(yōu)質圖像但同時會產(chǎn)生更多數(shù)據(jù)以致于無法存儲的高分辨率圖像傳感器?，F(xiàn)在還存在許多非標準的接口系統(tǒng)。現(xiàn)在僅供數(shù)字相機所使用可裝卸存儲介質就包括 PCMCIA卡、東芝（Toshiba）的速閃存儲器及軟磁盤。重要的是，要根據(jù)產(chǎn)品未來所在的工作環(huán)境，對樣品進行細致的性能評估。

　　5．3 CCD和CMOS系統(tǒng)的設計

　　CCD圖像傳感器和CMOS圖像傳感器在設計上各不相同，對于CCD圖像傳感器，不能在同一芯片上集成所需的功能電路。因此，在設計時，除設計光敏感部分（即CCD圖像傳感器）外，還要考慮設計提供信號和圖像處理的功能電路，即信號讀出和處理電路，這些電路需要在另外的基片上制備好后才能組裝在 CCD圖像傳感器的外圍;而CMOS圖像傳感器則不同，特別是CMOS APS可以將所有的功能電路與光敏感部分（光電二極管）同時集成在同一基片上，制作成高度集成化的單芯片攝像系統(tǒng)。與前者相比，成本低、制備容易、體積小、微型化、功耗低，雖然開始有人認為光照靈敏度不如CCD圖像傳感器的高，并且暗電流和噪聲比較大，近來由于改進了電路設計，采用亞微米和深亞微米光刻技術，使CMOS圖像傳感器的性能得到改善。已經(jīng)具備與CCD圖像傳感器進行競爭的條件，21世紀，CMOS攝像器件將成為信息獲取與處理領域的佼佼者。到那時，單芯片攝像機和單芯片數(shù)碼相機將進入千家萬戶。這些都得益于 CMOS APS為人們提供了高度集成化的系統(tǒng)，如圖4

　　所示。圖5示出CMOS數(shù)碼相機的框圖，從中可見數(shù)碼相機設計的復雜性。

　　6結語

　　CMOS圖像傳感器的前途是光明的，隨著多媒體、數(shù)字電視、可視通訊等市場的增加，CMOS圖像傳感器的應用前景更加廣闊。CMOS APS為MIS/CCD圖像傳感器設計提供了另一選擇方案，它把電荷轉換成電壓所需的晶體管裝在每個像素內。在這種器件內均不必進行電荷轉移， 因為數(shù)據(jù)讀取是在單個像素內完成的。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。預期CMOS APS在許多非科學應用領域內將最終替代CCD圖像傳感器。