王旭東，葉玉堂

（電子科技大學(xué)光電信息學(xué)院，四川成都610054）

自從上世紀(jì)60年代末期，美國貝爾實(shí)驗(yàn)室提出固態(tài)成像器件概念后，固體圖像傳感器便得到了迅速發(fā)展，成為傳感技術(shù)中的一個(gè)重要分支，它是PC機(jī)多媒體不可缺少的外設(shè)，也是監(jiān)控中的核心器件。

互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）圖像傳感器與電荷耦合器件CCD（Charge Coupled Device）圖像傳感器的研究幾乎是同時(shí)起步，但由于受當(dāng)時(shí)工藝水平的限制，CMOS圖像傳感器圖像質(zhì)量差、分辨率低、噪聲降不下來和光照靈敏度不夠，因而沒有得到重視和發(fā)展。

而CCD器件因?yàn)橛泄庹侦`敏度高、噪音低等優(yōu)點(diǎn)，一直主宰著圖像傳感器市場(chǎng)。由于集成電路設(shè)計(jì)技術(shù)和工藝水平的提高，CMOS圖像傳感器過去存在的缺點(diǎn)，現(xiàn)在可以找到相關(guān)解決方法，而且其固有優(yōu)點(diǎn)是CCD器件所無法比擬的，因而CMOS圖像傳感器再次成為研究的熱點(diǎn)。這里針對(duì)CMOS與CCD圖像傳感器進(jìn)行分析研究，并給出其發(fā)展趨勢(shì)。

1 CCD與CMOS的組成結(jié)構(gòu)比較

1.1 CCD與CMOS的組成結(jié)構(gòu)

在制造上，CCD和CMOS的主要區(qū)別主要是CCD是集成在半導(dǎo)體單晶材料上，而CMOS是集成在被稱為金屬氧化物的半導(dǎo)體材料上。其工作原理都是利用感光二極管（Photodiode）進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，這種轉(zhuǎn)換的原理與太陽能電子計(jì)算機(jī)的太陽能電池效應(yīng)相近。光線越強(qiáng)，電力越強(qiáng)[1]。反之，光線越弱，電力也越弱。根據(jù)此原理將圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。而其主要差異是數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳送的方式不同[2]。簡易結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

比較CCD與CMOS的結(jié)構(gòu)，ADC（數(shù)模轉(zhuǎn)換器）位置和數(shù)量是最大的差異。CCD每曝光一次，在快門關(guān)閉后進(jìn)行像素的轉(zhuǎn)移處理，將每一行中電荷信號(hào)依次轉(zhuǎn)入“緩沖器”中，由低端的線路引導(dǎo)輸出至CCD邊緣的放大器進(jìn)行放大，再串聯(lián)ADC輸出。而CMOS的結(jié)構(gòu)中每個(gè)像素都直接連著ADC，點(diǎn)和信號(hào)直接放大并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。造成這種差異的原因在于CCD的特殊工藝可以保證數(shù)據(jù)在傳送時(shí)不會(huì)失真，以此各個(gè)像素的數(shù)據(jù)可以匯集到邊緣再進(jìn)行放大處理。而CMOS工藝的數(shù)據(jù)在傳送距離較長時(shí)會(huì)產(chǎn)生噪聲。因此，必須先放大再整合各個(gè)像素的數(shù)據(jù)。

圖1 CCD和CMOS的組成結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of CCD and CMOS

1.2 CCD與CMOS的相關(guān)參數(shù)比較

表1給出CCD與CMOS圖像傳感器的性能比較，與CCD圖像傳感器相比，CMOS圖像傳感器具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

表1 CCD與CMOS圖像傳感器的性能比較Tab.1 Comparison of CCD and CMOS image sensor performance

CMOS與CCD圖像傳感器在結(jié)構(gòu)、工作方式和制造工藝兼容程度上的差別,使得CMOS圖像傳感器具有CCD圖像傳感器所不具有的優(yōu)點(diǎn)[3]。

1）驅(qū)動(dòng)電壓CCD陣列驅(qū)動(dòng)脈沖復(fù)雜，電荷信息轉(zhuǎn)移和讀取輸出需要有時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)電路和3組不同的電源相配合，不能與大規(guī)模集成電路制造工藝技術(shù)相兼容，而CMOS經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后直接產(chǎn)生電流或電（電壓）信號(hào)，只需要單一的工作電源，信號(hào)讀取相對(duì)簡單。

2）圖像采集和處理速度CCD需要在同步時(shí)鐘的控制下，以行為單位依次輸出信息，不能隨機(jī)讀取，而這種隨機(jī)讀取對(duì)許多應(yīng)用是不可缺少的，且速度較慢。而CMOS圖像傳感器在采集光信號(hào)的同時(shí)就可以取出電信號(hào)，還能實(shí)時(shí)處理各單元的圖像信息，速度比圖像傳感器要快。

3）集成度CCD技術(shù)很難將光敏單元陣列，驅(qū)動(dòng)電路及模擬數(shù)字信號(hào)處理電路在單片上集成，比如A/D轉(zhuǎn)換，精密放大，存儲(chǔ)等功能，均無法在單片上實(shí)現(xiàn)。而CMOS圖像傳感器可將光敏元件、圖像信號(hào)放大器、信號(hào)讀取電路、A／D轉(zhuǎn)換器、圖像信號(hào)處理器及控制器等集成到一塊芯片上，還具有對(duì)局部像素圖像的編程隨機(jī)訪問的優(yōu)點(diǎn)。

4）功耗與價(jià)格CCD圖像傳感器的功耗較大，約300 mW；而CMOS圖像傳感器的功耗較小，約50 mW，甚至更小，在節(jié)能方面具有很大的優(yōu)勢(shì)。CMOS的耗電量僅為CCD的1/8～1/10。而在價(jià)格方面由于CCD圖像傳感器工藝制程復(fù)雜,且集成度等較低。所以CMOS圖像傳感器更勝一籌。

5）噪點(diǎn)差異由于CMOS每個(gè)感光二極管旁都搭配一個(gè)ADC放大器,如果以百萬像素計(jì),那么就需要百萬個(gè)以上的ADC放大器,雖然是統(tǒng)一制造下的產(chǎn)品,但是每個(gè)放大器都存在差異,很難達(dá)到放大同步的效果,對(duì)比單個(gè)放大器的CCD,CMOS最終計(jì)算出的噪點(diǎn)就比較多。

王祥只覺得五雷轟頂，自己隨手就弄丟了一生可能就這么一次的發(fā)財(cái)機(jī)會(huì)。但是到底是怎么回事，王祥還在云里霧里。

6）速度快差異CMOS速度快，可靠性高。由于大部分相機(jī)電路可與CMOS圖像傳感器在同一芯片上。信號(hào)及驅(qū)動(dòng)傳輸距離短，電感、電容和寄生延遲降低。信號(hào)讀出采用X—Y尋址方式，因此，圖像傳感器的存取速度快，體積小，焊點(diǎn)和接頭較少，所以其可靠性高。

7）成像質(zhì)量CCD電荷耦合器制作技術(shù)起步早，技術(shù)成熟，采用PN結(jié)或二氧化硅（SiO2）隔離層隔離噪聲，成像質(zhì)量相對(duì)CMOS光電傳感器有一定優(yōu)勢(shì)。由于CMOS光電傳感器集成度高，各光電傳感元件、電路之間距離很近，相互之間的光、電、磁干擾較嚴(yán)重，噪聲對(duì)圖像質(zhì)量影響很大，使CMOS光電傳感器很長一段時(shí)間無法進(jìn)入實(shí)用。近年，隨著CMOS電路消噪技術(shù)的不斷發(fā)展，為生產(chǎn)高密度優(yōu)質(zhì)的CMOS圖像傳感器提供了良好的條件。

2 CMOS的改進(jìn)技術(shù)及存在問題的解決途徑

為了克服低靈敏度、高噪聲、暗電流，低填充度等這些CMOS傳感器上常見的問題，CMOS已經(jīng)做了很多技術(shù)研究和攻關(guān)[4-5]。

1）片上消除噪聲技術(shù)為了消除每個(gè)像素的漂移和噪聲，傳感器上包含一個(gè)特殊的電路，它只吸收噪聲信號(hào)而不處理光學(xué)信號(hào)，可以從光學(xué)信號(hào)中去除噪聲部分。這樣傳感器就能以很高的信噪比讀取信號(hào)。

2）全像素電荷轉(zhuǎn)移技術(shù)為了避免分子運(yùn)動(dòng)帶來的隨機(jī)噪聲，實(shí)現(xiàn)具有高信噪比的光學(xué)傳感器。由于每次讀取信號(hào)時(shí)，初始值都會(huì)變化，只依靠片上消除噪音技術(shù)無法完全解決這個(gè)問題。通過引入全像素電荷轉(zhuǎn)移技術(shù)，能夠維持光學(xué)信號(hào)和噪聲信號(hào)的一致初始值，讓消除隨機(jī)噪聲和實(shí)現(xiàn)高信噪比成為可能。

3）片上模擬處理技術(shù)為了消除噪聲并實(shí)現(xiàn)高速信號(hào)讀取性能，芯片上集成了PGA可編程增益放大器。這項(xiàng)革新有效地降低了噪聲，并加速了信號(hào)輸出（12 MHz）。

4）暗電流CMOS成像器件均具有較大的像素尺寸，因此，在正常范圍內(nèi)也會(huì)產(chǎn)生一定的暗電流。通過改進(jìn)CMOS工藝，壓縮結(jié)面積可降低暗電流的發(fā)生率，也可通過提高幀速率（frame rate）來縮短暗電流的匯集時(shí)間，從而減弱暗電流的影響。

6）提高填充系數(shù)為了提高CMOS-APS的填充系數(shù)，近幾年國外開發(fā)的CMOS-APS均具有微透鏡陣列結(jié)構(gòu)，在整個(gè)CMOS-APS像元上放置一個(gè)微透鏡將光集中到有效面積上，可以大幅度提高靈敏度和填充系數(shù)。

7）提高動(dòng)態(tài)范圍動(dòng)態(tài)范圍是反映圖像傳感器性能的主要指標(biāo)之一，目前CMOS圖像傳感器的動(dòng)態(tài)范圍還稍遜于CCD，雖然對(duì)數(shù)響應(yīng)型CMOS圖像傳感器的動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)120 dB，但同時(shí)也增加了圖像噪聲，影響了圖像質(zhì)量。提高動(dòng)態(tài)范圍的方法之一就是利用PECVD超高真空系統(tǒng)以及專用集成電路（ASIC）薄膜技術(shù)，改進(jìn)光電二極管的材料組合，提高低灰度部位的感光度，同時(shí)在像素電路的結(jié)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)方法上下功夫，實(shí)現(xiàn)低灰度時(shí)自動(dòng)轉(zhuǎn)換到線形輸出，高灰度時(shí)自動(dòng)轉(zhuǎn)換到對(duì)數(shù)壓縮輸出。

8）DRSCAN噪聲消除技術(shù)Sony公司采用了“DRSCAN”噪聲消除技術(shù)和抑制暗電流的“HAD”結(jié)構(gòu)改善CMOS圖像傳感器噪聲較高這一弱點(diǎn)。獨(dú)特的“DRSCAN”技術(shù)在逐點(diǎn)順序讀出每個(gè)像素信號(hào)和噪聲成分的同時(shí)，消除由同一電路中晶體管特性不均所引起的固定圖形噪聲$，為消除暗電流引起的固定圖形噪聲，Sony公司還借鑒了CCD圖像傳感器的“HAD”結(jié)構(gòu)，抑制非入射光引起的暗電流，使信噪比提高了近25倍。且“HAD”結(jié)構(gòu)采用L形門的像素結(jié)構(gòu)，幾乎使所有的電子完全轉(zhuǎn)移，實(shí)現(xiàn)了無拖影的圖像信號(hào)輸出。

9）低壓驅(qū)動(dòng)掩埋光電二極管東芝公司于2003年開始采用掩埋光電二極管新型結(jié)構(gòu)，降低了漏電電流。在低壓下也能確保無電荷殘余的完全讀出，實(shí)現(xiàn)了與CCD攝像器件同等的高質(zhì)量圖像，表2為新舊光電二極管的性能比較。

表2 光電二極管的主要性能Tab.2 Main performance of photodiode

10）CMOS C3D技術(shù)C3D（CMOS Color captive Device）

是新一代半導(dǎo)體成像技術(shù)。它不僅提高了像素設(shè)計(jì)技術(shù)，也改進(jìn)了生產(chǎn)工藝。采用這種技術(shù)生產(chǎn)的0.25 μm CMOS圖像傳感器,可以在保全性能的前提下增加晶體管的數(shù)量和占空因數(shù)（Fill Factor）。除了增加像素設(shè)計(jì)的選擇方案之外，還可實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜的功能和更低的功耗。而且，該傳感器在速度方面也有很大優(yōu)勢(shì)。C3D技術(shù)采取了以下對(duì)策：①通過改進(jìn)CMOS工藝來降低暗電流的發(fā)生率；②壓縮結(jié)面積（Junction Area）；③通過提高幀速率（Frame Rate）來縮短暗電流的匯集時(shí)間。

11）彩色插值算法在實(shí)用中，為降低成本，減小尺寸，提高圖像質(zhì)量，可采用Bayer濾光陣列把輸入光信號(hào)分解為RGB三基色，且每個(gè)像素點(diǎn)只采集1種有色光的亮度。為獲得高質(zhì)量彩色圖像，必須利用插值方法恢復(fù)丟失的色差分量。因此提出了基于自然景物特征和圖像像素間相關(guān)性的新型圖像插值算法。該插值算法對(duì)R像素和B像素進(jìn)行統(tǒng)一處理，抑制了拉條效應(yīng)，充分利用自然景物的特征，使圖像更逼真。改善了CMOS圖像傳感器的成像質(zhì)量。

12）CMOS圖像傳感器突破技術(shù)瓶頸CMOS圖像傳感器打破汽車測(cè)距技術(shù)瓶頸[6]。Canesta公司從1999年成立以來就一直致力于開發(fā)CMOS圖像傳感器，經(jīng)過7年的努力該公司終于開發(fā)成功了這種最有前景的技術(shù)。Canesta公司的CMOS圖像芯片能夠在硬件上通過飛行時(shí)間式同時(shí)計(jì)算出成像芯片上的每個(gè)點(diǎn)，從而感應(yīng)出汽車到每個(gè)物體之間的距離，而不像超聲波傳感器那樣只能感應(yīng)到汽車和最近物體之間的距離。Canesta公司的方案前景一定不錯(cuò)，因?yàn)樗皇褂昧艘粋€(gè)相機(jī)，而且是基于CMOS技術(shù)，這對(duì)于保持低成本來說是至關(guān)重要的。再加上使用了飛行時(shí)間式計(jì)算方法，它可以給汽車帶來各種各樣的功能。飛行時(shí)間(time-of-flight)式計(jì)算方法是指Canesta使用了一個(gè)紅外光源來照亮有不可見光的區(qū)域，然后計(jì)量出光從發(fā)射器(在成像器后面)射到外面的物體并最終返回到CMOS探測(cè)器的時(shí)間。通過使用CMOS芯片上的硬件裝置，機(jī)器視覺算法可以計(jì)算出該區(qū)域每一個(gè)點(diǎn)和汽車間的距離，從而輕松地給各種物體分門別類——從本質(zhì)上來說，這是準(zhǔn)確計(jì)算，而不僅僅是感應(yīng)。

過去工藝中各種不易解決的技術(shù)問題現(xiàn)在都能找到相應(yīng)的解決辦法，圖像質(zhì)量得到大大改善，像素規(guī)模已由最初的幾萬像素發(fā)展到現(xiàn)在的幾百萬上千萬像素。CDS電路，技術(shù)彩色濾波器陣列技術(shù)，數(shù)字信號(hào)處理（DSP）技術(shù)，噪聲抑制技術(shù)不斷有新突破，目前CMOS傳感器大都采用0.35 m或0.5 m的CMOS制造工藝，CMOS單元面積上的像素?cái)?shù)已與CCD相當(dāng)，因此可基本達(dá)到CCD器件的高分辨率。

3 圖像傳感器在未來應(yīng)用上的分析

世界圖像傳感器2007年的出貨量為10.95億個(gè)，比上年增長19%，預(yù)期到2013年將增長到20億個(gè)，年均增長率超過10%［7］。世界圖像傳感器的應(yīng)用情況如表3所示。

表3 世界圖像傳感器應(yīng)用情況Tab.3 Applications of world image sensors

2007～2011年間CCD傳感器出貨量將從1.67億個(gè)下降到1.44億個(gè)，而同期CIS則將從9.29億個(gè)快速上升到15.68億個(gè)，年均增長率達(dá)14%。同期出貨值前者從24.36億美元下降到10.86億美元，跌幅過半；后者從30.51億美元增加到35.77億美元，年均增長率也不過4%。移動(dòng)電話市場(chǎng)按數(shù)量計(jì)將以15.6%的年率高速增長，預(yù)計(jì)2011年將大大超過15億部。在數(shù)碼相機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域，小型機(jī)中CMOS也正在逐漸取代CCD。CMOS與CCD相比，價(jià)格便宜，因此在整個(gè)圖像傳器電子消費(fèi)應(yīng)用方面，CMOS有取代CCD的趨勢(shì)。表4為CMOS圖像傳感器的新產(chǎn)品。

表4 CMOS圖像傳感器新產(chǎn)品Tab.4 New products of CMOS image sensor

4 總結(jié)與展望

CMOS圖像傳感器正朝著高分辨率，高靈敏度，低噪聲，大動(dòng)態(tài)范圍，高智能化的方向不斷發(fā)展[8]。通過完善CMOS的制造工藝，進(jìn)一步改善CMOS圖像質(zhì)量，靈敏度等問題，從而使其在視頻監(jiān)控，圖像采集，指紋識(shí)別，數(shù)碼相機(jī)，可視通信設(shè)備,醫(yī)用儀器儀表，航空探測(cè)設(shè)備，視頻電子郵件、汽車尾視、醫(yī)療設(shè)備、保安監(jiān)控、可視通信、眼膜識(shí)別、工業(yè)視頻監(jiān)控、視覺玩具等方面將得到了更廣泛的應(yīng)用。在過去相當(dāng)長的時(shí)間里，CCD圖像傳感器由于其高解析度、低噪聲、高敏感度和動(dòng)態(tài)范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，一直處于主導(dǎo)地位；而受工藝水平的限制，CMOS圖像傳感器因其固有的圖像質(zhì)量差、分辨率低、噪聲高和光照靈敏度不夠等特點(diǎn)，沒有得到重視和發(fā)展。而近年來，由于集成電路設(shè)計(jì)技術(shù)和工藝水平和CMOS在一些新技術(shù)的突破的提高，CMOS圖像傳感器過去存在的缺點(diǎn)，現(xiàn)在都可以找到辦法克服，因而它再次成為研發(fā)的熱點(diǎn)。與CCD相比，CMOS體積小，耗電量不到CCD的十分之一，而售價(jià)也比CCD便宜三分之一；加之CMOS傳感器具有更好的量產(chǎn)性，而且容易集成其他邏輯電路在內(nèi)而形成功能更豐富的SoC產(chǎn)品，而這在CCD中是很難實(shí)現(xiàn)的。低成本的CMOS更適合于成本敏感型的消費(fèi)電子應(yīng)用。因此，CMOS圖像傳感器的應(yīng)用前景更加廣闊。

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http://www.cnetnews.com.cn/files/list-0-0-9126-0-2-0.htm.