CMOS图像传感器的基本原理与发展
一、CMOS图像传感器基本结构 1．CMOS ＣＭＯＳ 英 文全名 Complementary Metal-Oxide Semiconductor，中文意思是互补性金属氧化物半导体。CMOS 由PMOS和NMOS管共同构成，由于NMOS和PMOS是互补的,因此叫互补型MOS,即CMOS.由于CMOS中一对MOS组成的门电路在瞬间要么PMOS导通，要么NMOS导通，要么都截止，所以比三极管效率高得多。因此功耗很低。CMOS技术及其工艺广泛应用于计算机领域并且非常成熟。目前CMOS图像传感器虽然与计算机的CMOS电路的用途不同，但基本上仍采用CMOS工艺，只是将纯粹逻辑运算的功能转变为接收外界光线后转变为电能并传递出去。因而具有CMOS的基本特点。2．像素结构像素结构分被动式与主动式两种。(1)被动式像素结构被动式像素结构（Passive Pixel Sensor.简称PPS）,又叫无源式,如图1所示。它由一个反向偏置的光敏二极管和一个开关管构成。光敏二极管本质上是一个由P型半导体和N型半导体组成的PN结，它可等效为一个反向偏置的二极管和一个MOS电容并联。当开关管开启时,光敏二极管与垂直的列线（Column bus）连通。位于列线末端的电荷积分放大器读出电路(Charge integrating amplifier)保持列线电压为一常数,当光敏二极管存贮的信号电荷被读出时,其电压被复位到列线电压水平,与此同时,与光信号成正比的电荷由电荷积分放大器转换为电荷输出。 http://visionbbs.com/data/uploads/allimg/120717/092230FE-0.jpg图1 被动式像素结构 (2)主动式像素结构
主动式像素结构(Active Pixel Sensor.简称APS),又叫有源式,如图2所示. 几乎在CMOS PPS像素结构发明的同时,人们很快认识到在像素内引入缓冲器或放大器可以改善像素的性能,在CMOS APS中每一像素内都有自己的放大器。集成在表面的放大晶体管减少了像素元件的有效表面积,降低了“封装密度”,使40％～50％的入射光被反射。这种传感器的另一个问题是,如何使传感器的多通道放大器之间有较好的匹配,这可以通过降低残余水平的固定图形噪声较好地实现。由于CMOS APS像素内的每个放大器仅在此读出期间被激发,所以CMOS APS的功耗比CCD图像传感器的还小。 http://visionbbs.com/data/uploads/allimg/120717/0922305T5-1.jpg图2 主动式像素结构 （3）填充因数与量子效率
这填充因数（Fill Factor）,又叫充满因数,它指像素上的光电二极管相对于像素表面的大小.量子效率(Quantun efficiency)是指一个像素被光子撞击后实际和理论最大值电子数的归一化值.被动式像素结构的电荷填充因数通常可达到70%,因此量子效率高。但光电二极管积累的电荷通常很小，很易受到杂波干扰。再说像素内部又没有信号放大器，只依赖垂直总线终端放大器，因而读出的信号杂波很大，其S/N比低，更因不同位置的像素杂波大小不一样（固定图形噪波FPN）而影响整个图像的质量。而主动性像素结构与被动式相比，它在每个像素处增加了一个放大器，可以将光电二极管积累的电荷转换成电压进行放大，大大提高了S/N比，从而提高了传输过程中抗干扰的能力。但由于放大器占据了过多的像素面积，因而它的填充因数相对较低，一般在25%—35%之间。
3 CMOS图像传感器 图3是CMOS图像传感器原理结构图。它由水平移位寄存器、垂直移位寄存和MOS像素阵列等组成。像素结构如图2所示。MOS场效应管接TX（垂直移位寄存器），其漏极接列线（水平移位寄存器）。光敏二极管在入射光的作用下 http://visionbbs.com/data/uploads/allimg/120701/132I21V5-0.jpg图3 CMOS 图像传感器产生载流子，并以电荷的形式存储在结电容上。垂直扫描电路的驱动脉冲以行频依次接通各行MOS开关；而水平扫描驱动脉冲以更高的频率依次接通列MOS开关,于是就按电视扫描规律一行一行的从左到右读出光敏二极管结电容上所积累的电荷，从而输出电视视频信号。
有趣的是，尽管CCD表示“电荷耦合器件”而CMOS表示“互补金属氧化物半导体”，但是不论CCD或者CMOS对于图像感应都没有用，真正感应的传感器称做“图像半导体”，图像半导体是一个P N结半导体,它能够转换光线的光子成为成比例数量的电子。电子的数量被转换成信号的电压，光线进入图像半导体的越多，电子产生的也越多，从传感器输出的电压也越高。 CCD称为“电荷耦合器件” ，它实际上只是一个把从图像半导体中出来的电子有组织地转移并储存起来的方法。 CMOS称为“互补金属氧化物半导体”，CMOS实际上只是将晶体管放在硅块上的技术，没有更多的含义。传感器被称为CMOS传感器只是为了区别于CCD传感器，与传感器处理影像的真正方法无关。 CMOS传感器不需要复杂的处理过程，直接将图像半导体产生的电子转变成电压信号，有点象计算机中的X-Y寻址，因此速度就非常快。
4 CCD与CMOS图像传感器的基本区别
在画质大幅改善后，CMOS图像传感器在诸多的本质特性上反而优于CCD图像传感器，这也使得愈来愈多的应用设计者愿意用CMOS图像传感器来取代CCD图像传感器，到底有哪些本质特性使CMOS接近甚至优于CCD，以下将逐一说明。
1, 信号读出速率高。由于大部分信号处理电路可与CMOS在同一片芯片上制作,信号驱动传输距离缩短,电感、电容及寄生延迟降低,信号读出采用X-Y寻址方式,CMOS图像传感器工作速率优于CCD。CCD信号读出速率通常不超过70Mpixels/s,CMOS可达1000Mpixels/s。因此,CMOS更容易实现高质量的平稳慢动作记录、方便对焦的无损数字图像扩展(Expand)等功能。这对于正在发展中的高清电视(特别是HDV)来说,CMOS图像传感器技术更有发展前途.
2, 无垂直拖尾。垂直拖尾指的是当拍摄高亮度发光物体时,如照明灯、太阳, 画面上会出现一条垂直亮带。这在早期CCD传感器上尤为明显,当光照产生的电信号超过了二极管(垂直存储器)的容量时,二极管(垂直存储器)电荷会发生溢出,从而产生了垂直拖尾现象。虽经多年改进，CCD垂直拖尾现象大为减轻，但由于本身机理而很难消除。但由于CMOS特殊的成像结构,这种现象不会在CMOS图像传感器上出现。
3, 低功耗。简单地讲,CCD需要很多驱动电压(-7.5V到15V)来驱动电荷转移。在这种电荷转移中需要消耗大量电能。相反,CMOS采用传统CMOS大规模集成电路工艺,只需一个电源(并多为低电压)驱动就行。CMOS的耗电量仅为CCD的1/8到1/10。
4, 集成度高。由于CMOS图像传感器采用一般CMOS大规模集成电路工艺,所以很容易将其他功能芯片一起整合到CMOS芯片上。比如说在一块芯片上可同时实现视频信号处理和静止图片信号处理,而这在CCD上是难以实现的。集成度高的特点使得CMOS更适合于低功耗的小型手持式摄像机。传统CMOS的主要缺点:
1, 固定图形噪点(Fixed Pattern Noise):
由于CMOS每个感光二极管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发展成熟的CCD图像传感器相比,CMOS传感器的噪点就会增加很多,大大影响了图像品质。同时由于集成度高,各光电传感元件、电路之间距离很近,相互之间的光、电、磁干扰较严重。
CMOS图像传感器产生的典型噪点就是固定图形噪点。这就是人们一直说CMOS的图像质量比CCD差的主要原因。所以尽管CMOS有很多优点,但固定图形噪点的缺陷制约了传统CMOS一直只在小尺寸、低价格、对摄像质量无过高要求的领域应用,如监控、视频会议、手机、PC等,难以应用在高图像质量摄像机中。近几年,随着CMOS电路消噪技术、数字信号处理技术的不断发展,CMOS在这方面的性能已经与CCD相差无几了。
2, 拍摄快速运动图像时图像会变歪。
CCD在光照的同时就能将信号存储起来。然后一帧画面的信号从垂直存储区读出。配合着电子快门的使用,这样的机制可以很好地捕捉到快速运动物体的每一帧画面。而CMOS的扫描时基于行的。每个像素的扫描时间不同。导致了在拍快速运动物体时出现倾斜。图像的倾斜程度是与运动物体的速度和记录帧率有关的。当记录帧率足够高时,这样的现象就不会被察觉。使用机械快门也可以减轻图像倾斜。
3, 灵敏度较低:
灵敏度代表传感器的光敏单元收集光子产生电荷信号的能力。相同尺寸情况下,CCD的灵敏度要比传统CMOS高。这主要是因为CCD像元耗尽区深度可达10mm,具有对可见光近红外光谱段的完全收集能力。CMOS采用0.18~0.5mm标准CMOS工艺,由于采用的电阻率硅片须保持地工作电压,像元耗尽区1~2mm,其吸收截至波长小于650mm,导致像元对红光及近红外光吸收困难。
由以上可以看出,传统CMOS虽然有其许多特有优点,但其在图像质量上的缺点使CMOS一直难以用在对摄像质量要求高的专业摄像机上。随着CMOS技术的发展,特别是最近几年,CMOS的图像质量已经得到了大幅度的改善。其中,以Sony和Canon的CMOS研究与开发推动了CMOS传感器的发展.
二 CMOS图像传感器的技术发展
如上所述，要想提高CMOS图像传感器的质量，应从两方面着手：增加灵敏度和减少杂波。
1．片上透镜（On-chip Micro Lens）该项技术,从1989年至今不断改进和提高,是CCD的一个非常成熟的技术.CMOS采用这项技术之后,可将更多的光聚集在感光二极管上,提高了灵敏度.微透镜有着最宜于捕捉光线的凸面外形，它们呈阵列式分布在CMOS图像传感器的表面，每个微透镜都与单个像素相对应。佳能通过缩小这些微透镜的间距，使得单个微透镜的数量充足，因此虽然 增加了像素密度，但是图像感应器的聚光效率也得到了显著的增强。这种增强使得在高感光度下信号的输出范围得到了扩展。其示意图如图4所示。
http://visionbbs.com/data/uploads/allimg/120717/0922302553-2.jpg
图4 片上透镜及像素的改进一般CMOS图像传感器进光投射方向为前照射结构(Front –illuminated structure),如图5(a)所示. 由于入射光到达像素中的光电二极管之前要通过硅基板表面的金属导线和晶体管,部分光线被反射,阻碍了片上透镜的采光进程，灵敏度降低.同时这也是像素小型化和扩大光学视角响应方面的一个重要难题。SONY将前照射改为背照射(Back-illuminated structure),把金属线路和晶体管移至硅基板另一面，入射光通过微透镜、滤色片直接到达光电二极管，减少了对采光的阻碍，大大增加了进入每个像素的进光量，再加上SONY研发的独特的二极管结构和专为背照射结构而优化的片上透镜，既可提高灵敏度+6db，又减少杂波-2db ,明显提高了信号质量。同时也行减少了由光学视角响应引起的灵灵敏度下降的问题和传经背照射引起的噪点、像素缺失等导致图像质量退化和S/N降低的问题，使CMOS图像传感器接近和赶上CCD奠定了基础。http://visionbbs.com/data/uploads/allimg/120717/0922301093-3.jpg 图 5 前照射与背照射结构的比较3．低杂波读出电路
一般像素电路为三晶体管方式，虽然有用信号得到放大，但杂波也随之放大。Canon公司采用四晶体管方式,如图6所示 , 通过两个存储器（噪音存储器与信号+噪音存储器）相减，大大减轻了固定图形噪音与随机噪音对图像的干扰。固定模式噪音来自不同像素放大器之间的不均衡的信号增强。这也就是即使在一天中的不同时段拍摄不同主体的照片时，噪音可能出现在相同像素的原因。为消除此类噪音，佳能第二代片上降噪电路会读取固定模式噪音量，然后消除噪音以提供无噪音的光信号。 http://visionbbs.com/data/uploads/allimg/120717/0922303496-4.jpg 图6Canon第二代消噪电路 4．减小暗电流
暗电流是CMOS上由于微晶缺陷或漏电流产生的，在长时间嚗光、像素电荷积累时间很长的情况下，以及CMOS温度上升会产生噪音。为此，Canon公司除加强在半导体工艺管理降低此缺陷外，还采用了“埋入式光电二极管”的构造来降低噪音发生的机率。所谓“埋入式光电二极管”，就是将光电二极管植入CMOS底部硅晶的方法，因为暗电流发生在硅晶的表面，而以前常把二极管植入其表面。通过此法可减少这种暗电流带来的噪音干扰。
5．多通道输出
CMOS比CCD最突出的优点是 X-Y寻址，电荷读出速度快，并且能方便的实行多通道同时输出。实际上CCD也进行这方面的实验，如图7（a）所示 .由于CCD要通过水平移位寄存器将CCD电荷读出,所以它可将其左右分成两部分来实现双通道并行输出的高速化.这种技术已用于Canon的EOS数码摄像机中.当然也可将水平移位寄存器上下分成两部分来进行双通道同时读出,这种技术也已用于Canon的MV1中.但这种技术的困难在于不易大量生产,水平寄存器成品率低问题.而CMOS目前已成功实现8通道并行输出,并用于Canon高端产品1DS2中.16通道甚至更多通道的输出技术正在研发之中. http://visionbbs.com/data/uploads/allimg/120717/092230O60-5.jpg图7 CMOS 多通道并行输出 6．列并联A/D变换 http://visionbbs.com/data/uploads/allimg/120717/0922304114-6.jpg （a） (b) 图8 列并联A/D变换器一般CMOS传感器如图8（a）所示，A/D转换在CDS（Correlated Double Sampling） 之后并为所有列共有，而列并联式A/D变换是在CDS之后，像素每列都有一个单独的A/D转换器，这就尽可能地缩短模拟处理的距离,从而在确保很高信号转换速度的同时，将模拟处理过程中产生的信号噪音所导致的画质降到最低。它的结构如图（b）所示.SONY将这种技术用于高端单反数码相机上.
7．SONY CIEARVID 像素排列技术 Clearvid CMOS技术包括两个要点。
第一,它通过将每个像素旋转45°如图9所示,增大每个像素的感光面积,提高灵敏度。http://visionbbs.com/data/uploads/allimg/120717/092230J31-7.jpg图 9 ClearVid CMOS成像器技术将每个像素倾斜45度 第二,通过Sony增强型处理器EIP(Enhanced Image Processor TM)执行内插运算算法,提高成像器清晰度。我们知道CMOS传感器的每个像素由四个晶体管与一个感光二极管构成,通过内插运算算法,四周的4个感光二极管(像素)运算生成一个新的像素。
http://visionbbs.com/data/uploads/allimg/120717/092230K12-8.jpg图10 四周的四个像素生成一个新的像素 三个原始的像素通过内插运算得到3个新像点，所以每三个像素推过内插运算就能得到自身两倍的像素。每行960像素内插运算后就能得到1920个像素。如图11:http://visionbbs.com/data/uploads/allimg/120717/0922305158-9.jpg图11 水平均960像素内插运算得到1920个像素关于像素排列技术,目前主要有三种:全像素排列、像素空间偏置、像素倾斜45度表一:ClearVid CMOS 像素排列与其他像素排列对比(相同尺寸成像器下): (ClearVid CMOS)。这三种像素排列方式的对比见表一: 由以上可以看出ClearVid CMOS将像素倾斜45度排列,使用内插运算算法的技术,大大提高了的CMOS成像器灵敏度和分辨率。解决了CMOS在专业领域应用的主要瓶颈。目前,ClearVid CMOS技术已经成功应用于HVR-V1C以及刚刚推出的HVR-HD1000C两款摄录一体机上。http://visionbbs.com/data/uploads/allimg/120717/0922301D1-10.jpg
图12 像素排列对比
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