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1、CMOS 图像传感器的发展 随着超大规模集成技术的发展，CMOS 图像传感器显示出强劲的发展趋势。CMOS 图像传感器可在单芯片内集成时序和控制电路、A/D 转换、信号处理等功能。本文简单介绍了 CMOS 图像传感器的背景，分析了 CMOS 图像传感器和 CCD 图像传感器的优缺点，综述了目前 CMOS 图像传感器的研究进展。一、前言自 60 年代末期美国贝尔实验室开发出固态成像器件和一维 CCD 模型器件以来，CCD 在图像传感、信号处理、数字存储等方面发展迅速。随着 CCD 器件的广泛应用，其缺点逐渐显露出来。为此，人们又开发了另外几种固态图像传感器，其中最有发展潜力的是采用标准 CMOS
2、 制造工艺制造的 CMOS图像传感器。 实际上早在 70 年代初，国外就已经开发出 CMOS 图像传感器，但成像质量不如 CCD，因而一直无法与之相抗衡。90 年代初期，随着超大规模集成技术的飞速发展，CMOS 图像传感器可在单芯片内集成 A/D 转换、信号处理、自动增益控制、精密放大和存储等功能，大大减小了系统复杂性，降低了成本，因而显示出强劲的发展势头。此外，它还具有低功耗、单电源、低工作电压(3V5V)、成品率高，可对局部像元随机访问等突出优点。因此，CMOS 图像传感器重新成为研究、开发的热点，发展极其迅猛，目前已占据低、中分辨领域。现在，CMOS 图像传感器的一些参数性能指标已达到或
3、超过 CCD 。二、CCD 与 CMOS 的比较1、成像过程CCD 和 CMOS 使用相同的光敏材料，因而受光后产生电子的基本原理相同，但是读取过程不同：CCD 是在同步信号和时钟信号的配合下以帧或行的方式转移，整个电路非常复杂，读出速率慢；CMOS 则以类似 DRAM 的方式读出信号，电路简单，读出速率高。2、集成度采用特殊技术的 CCD 读出电路比较复杂，很难将 A/D 转换、信号处理、自动增益控制、精密放大和存储功能集成到一块芯片上，一般需要 38 个芯片组合实现，同时还需要一个多通道非标准供电电压。借助于大规模集成制造工艺，CMOS 图像传感器能非常容易地把上述功能集成到单一芯片上，多
4、数CMOS 图像传感器同时具有模拟和数字输出信号。3、电源、功耗和体积CCD 需多种电源供电，功耗较大，体积也比较大。CMOS 只需一个单电源(3V5 V)供电，其功耗相当于 CCD 的 1/10，高度集成 CMOS 芯片可以做的相当小。4、性能指标CCD 技术已经相当成熟，而 CMOS 正处于蓬勃发展时期，虽然目前高端 CMOS 图像质量暂时不如 CCD，但有些指标（如传输速率等方面）已超过 CCD。由于 CMOS 具有诸多优点，国内外许多机构已经应用 CMOS 图像传感器开发出众多产品。本文主要介绍已商品化的 CMOS 图像传感器的发展现状以及最新发展动态，希望对下游产品的开发有所帮助。三
5、、CMOS 的商业化产品CMOS 图像传感器的迅速发展并商业化得益于成熟的 CMOS 工艺，目前国外诸多公司和科研机构已经开发出不同光学格式、多种类型的 CMOS 图像传感器，并将其应用于光谱学、X 射线检测、天文学（观测研究）、空间探测、国防、医学、工业等不同的领域。1997 年成立的美国 Foveon 公司于 2003 年推出了产品代号分别为 F7X3-C9110、F19X3-A50 的全色 CMOS 图像传感器。F7X3-C9110 的有效像素为 2268 1512，具有像素可变、超低功耗（50mW ）、低噪声、抗模糊等特点。该传感器已被用在日本 Sigma SD10 单反数码相机上，该
6、相机在低照度条件下积分时间可达 30s。F19X3-A50 除具有上述特点外，片上还具有高达 40MHz 的 12 位 A/D 转换器和集成数字处理器。由于采用独特的 X3 技术，该 CMOS 图像传感器感光阵列可在一个像元位置同时获得红、绿、蓝三种颜色信号。配置了这款图像传感器的数码产品主要面向专业摄影师、业余摄影爱好者等消费群体。据报道，美国 Foveon 和国家半导体公司合作，采用 0.18m CMOS 工艺首次开发成功了 1600 万像素（40964096）CMOS 图像传感器，这是迄今为止全球集成度最高的 CMOS 图像传感器，像元尺寸为5mm5mm，芯片尺寸为 22mm22mm。美
7、国 Silicon Video（SVI ）公司主要面向高清晰度数字电视、高清晰度数字电影及广播等领域，该公司于 2003 年 6 月收购 Photon Vision Systems (PVS) 公司后，使用 PVS 独特的有源列传感专利技术（ACS）已制造出 LIS-1024、ELIS-1024 及 SLIS-2048 线阵 CMOS 图像传感器和具有低暗电流、高灵敏度和扫描速度的 38402192 像素面阵单片 CMOS 成像系统。有源列传感专利技术（ACS）可降低放大器固定图案噪声，增加填充系数，提高灵敏度和动态范围及提高扫描速度。SLIS-2048 线阵 CMOS 图像传感器灵敏度为 5
8、V/e，扫描频率为 60MHz，填充系数99，动态范围为 63 dB。目前该公司正在开发用于便携设备的超低功耗 RPLIS-2048 线阵 CMOS 图像传感器。美国 Micro 公司推出像素分别为 252288、640 480、382 288 和 12801024 的面阵光敏二极管图像传感器，其中像素为 12801024 的 MT9M413 的读出速率达 660MB/s，可用于高级机器视觉系统及高速成像系统。如果以 1280128 面阵的形式传输数据，则最高读出速率可达 4,000fps。瑞士 STMicroelectronics（ST）能提供 352288 的 VV5411/VV6411
9、和 640480 的彩色VV6501、VV6502、VS6552 光敏二极管 CMOS 图像传感器，其图像质量、噪声和灵敏度接近或超过相应像素的 CCD，在反光晕、体积、功耗方面优于 CCD。传感器采用 I2C 总线并具有集成透镜、10 位A/D 转换器，还可外触发。该公司还提供相应的开发板及处理器，其低端产品面向玩具市场和安全监测，高端产品可用于数码相机、移动通信、机器视觉及生物医学等领域。美国 Biomorphic VLSI 报道了该公司生产的 640480 像素 Bi8603 和 Bi8631、1280 1024 像素Bi8831、 16001400 像素 Bi8891 彩色面阵 CMO
10、S 图像传感器。由于拥有了高性能模拟混合信号处理技术、先进的数字信号处理结构、领先的边沿图像处理技术以及基于生物机体的信息处理结构等技术，由该公司传感器构成的成像系统在交通监测、航线跟踪、目标获取和拦截等领域都收到良好的应用效果。美国安捷伦科技（Agilent Technologies）宣布推出全新系列 352288 像素 ADCS-1021 和640480 像素 ADCS-2021 彩色 CMOS 图像传感器和 352288 像素 ADCS-1121 和 640480 像素ADCS-2121 单色 CMOS 图像传感器。与以往的产品相比，这些小型传感器的体积减小了 25，表面封装的厚度降低了
11、 50，可以为家用和工控数码相机提供结构更加紧凑、成本更低的解决方案。彩色图像传感器特别适用于数码相机、手机和 PDA 使用的可拆卸相机以及数码静止及双模相机。单色图像传感器则为生物检测（识别如指纹的个体特征）、监控和安全、机器视觉和条码扫描仪提供了理想之选。批量订购每片 ADCS-1021 或 ADCS-1121 不超过 5 美元，单购每片 ADCS-2021 或 ADCS-2121 不超过 7 美元。以生产高性能 CCD 而著称的日本美国 Kodak 公司采用其自有的针孔二极管像素技术推出 640480像素的 KAC-031 及 12801024 像素的 KAC-1310CMOS 图像传感
12、器，并为专业摄影者以及有较高要求的业余摄影者提供有 45363024 像素 CMOS 传感器的 DCS 相机。1997 年成立的美国 Peripheral Imaging (PIC)公司生产的 1256、1512 和 11024 线阵光敏二极管 CMOS 图像传感器在紫外至近红外光谱范围都有很好的响应，可广泛应用在光谱学、单色仪和光谱摄制仪等方面。由线阵 CMOS 图像传感器构成的 ContractImage Sensor(CIS)接触式传感器已广泛应用到条形码扫描、复印机、传真机及扫描仪等设备上。1997 年成立的比利时 Fill Factory 公司已开发出 12801024 像素 IBI
13、S4-1300、22103002 像素IBIS46600、12801024 像素 IBIS14000、12801024 像素 IBIS5-1300、12801024 像素FUGA1000、12801024 像素 LUPA1300、2048 2048 像素 LUPA4000、512512 像素STAR250、10241024 像素 STAR1000 单色 CMOS 图像传感器。由于采用 n 阱像素结构（美国专利6,225,670），极大地提高了传感器的灵敏度，同时使用的一种称为双斜线行转移模式的技术可使传感器动态范围达到 76dB，其中 LUPA1300 传输速率达 450f/s，可用于高速成像
14、领域。加拿大 DALSA 拥有独特的 CMOS 芯片设计和生产技术，其产品遍布世界各地，是世界上最完备的图像产品供应商之一。加拿大 DALSA 公司推出 10241024 像素 DS-1x-01M28、10241024 像素 DS-21-001M0150、10241024 像素 DS-2x-01M75、640480 像素 IA-G1-VGA 面阵 CMOS 图像传感器。其采用 LINLOG 技术可使传感器动态范围高达 120dB，通过调整分辨率桢频可达 100,000f/s，IA-G1-VGA 的数据传输速率可达 800MB/s，可用于生命科学研究、数码相机，而且特别适宜用在诸如焊接、切割监测
15、、机器人技术及交通管理等光线强度变化大的场合。美国 Omnivision 公司开发的 CMOS 图像传感器系列产品有 16001200 像素的OV2000、OV5000、OV6000 、OV7000，800 600 像素 OV8000，12801024 像素 OV9000 等多种系列黑白或彩色图像传感器。其产品既有模拟输出又有数字输出，OV7000 系列及 OV8000 部分产品数字输出可达 16bit，OV2610 像素达到 16001200。体积小、重量轻、功耗低的 CMOS 图像传感器在航空航天领域更是独树一帜，多年来致力于航空航天事业的美国 JPL 将 CMOS 图像传感器用于测量气体
16、泄露的光谱仪上，效果显著。90 年起就开始研究 CMOS 图像传感器的 Canon 公司成功开发出 325 万像素（22261460）CMOS图像传感器。这款图像传感器像素颗粒尺寸为 10.5m 10.5m ，芯片尺寸为15.1mm22.7mm。Canon 公司用该器件成功组装了 EOS-D30 型 CMOS 单反数码相机。美国 Motorola 已推出针孔光敏管式 12801024 像素 MCM20027 和 668488 像素 MCM20114 等集成了时序电路、控制电路、A/D 转换等功能的单片 CMOS 图像传感器，该传感器具有 I2C 接口，光敏单元前有增大灵敏度的透镜阵列。日本富士通(Fujitsu)公司推出 CMOS 图像传感器为 MB86S02 和 MB86S03，它内置了该公司专利kTC 消噪电路，可降低反馈噪声，提高光线敏感度，从而使用户可在低强度光源下拍照。韩国现代也已推出 648488 像素的 HV7131E1、362298
