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1、由于CCD技术芯片工艺复杂，不能与标准工艺兼容，并且CCD芯片需要高电压且功 耗大。由于这两个主要原因，使得CCD芯片价格昂贵且使用不便。而CMOS图像传感芯 片采用CMOS工艺,可将图像采集单元和信号处理单元集成到同一块芯片上。因此,CMOS 图像采集芯片具有功耗小、价格便宜等优点，具有很强的市场竞争力和广阔的发展前景。20世纪90年代初CMOS传感器开始被部分市场所采纳，一个重要原因就是它可以在 同一个芯片上集成各种信号和图像处理模块，如运放器、ADCs、彩色处理和数据压缩电路、 标准TV和计算机I/O接口形成一个单片集成数字成像系统。图2.26是一种高速CMOS 图像传感器芯片的结构框图
2、，它一般由光敏像元阵列、行选通译码器、列选通译码器、定时 控制电路、模拟信号处理电路、模/数转换器（ADC）、存储器与读出译码器等构成。其 中定时控制电路用来限制信号读出模式、设定积分时间以及控制数据输出率。模拟信号处理 器包括信号的积分、放大、取样和保持，目的是在图像信号离开传感芯片之前就消除噪声（其 中一个原因是消除噪声的模拟电路所占的面积比数字电路小）。1.CMOS图像传感芯片的基本原理CMOS图像传感芯片主要由图2.26所示的几个功能模块组成。首先，外界光照射像元 阵列，发生光电效应，在像元内产生相应的电荷。行选逻辑单元根据需要选通相应的行像元。 行像元内的图像信号通过各自所在列的信号
3、总线传输到对应的模拟信号处理单元以及A/ D转换器，转换成数字图像信号输出。其中的行选择逻辑单元可以对像元阵列逐行扫描也可 隔行扫描。隔行扫描可以提高图像的场频，但会降低图像的清晰度。行选择逻辑单元与列选 择逻辑单元配合使用可以实现图像的窗口提取功能。模拟信号处理单元的主要功能是对信号 进行放大处理，并且提高信噪比。由于模拟集成单元加工有诸多不便，所以现在有些芯片在 设计时有意简化该功能单元，而将该单元的部分功能放到A/D变换之后进行，于是就出现 了数字调谐放大器等数字单元。行选样译码器图 2.26 CMOS 图像传感器芯片结构框图图 2.26 中时钟控制单元负责控制行选择逻辑单元和列选择逻辑
4、单元，并为像元阵列提供置 位信号以及整个芯片的时钟信号。该单元一般采用数字锁相环进行稳频和实现其他功能。2 . CMOS图像传感芯片像元阵列的结构和类型高速CMOS图像传感芯片中像元阵列是其关键功能单元，它又可以分为无源像元PPS (Passive Pixel Schematic)、有源像元 APS( Active Pixel Schematic)和对数式像单元。1.无源像图像传感器(PPS)无源像元PPS出现得最早,旦自出现以来结构没有多大变化。其基本结构如图2.27所 示。PPS单元由一个光电二极管和一个开关管组成。当该PPS被选中激活时，开关管TX选 通，于是光电二极管中由于光照产生的相
5、应电荷通过开关到达列总线，在列总线下端有一个 积分放大器，该放大器将信号转化为电压输出。列总线下的放大器在不读信号时，保持列总 线为一常数电平，这样，可以减少KTC噪声。光电二极管中的电荷与光信号成一定的比例 关系，转换后的电压中就包含了光信息。无源像元PPS结构简单，像元填充系数(有效光 敏面积和单元面积之比）高，量子效率（积累电子与入射光子的比率）比较高。但它有两个 显著的缺点：其一，它的读出噪声比较大，主要是固定噪声（FPN）,其典型值为250个 电子，而商业用的 CCD 级芯片其读出噪声典型值为 20 个电子；其二，随着像元个数的增 加，读出速率加快，读出噪声变大。PPS不利于向大型阵
6、列发展，很难超过（1000x1000 ）像元，不能有较快的像元读出 率。这是因为这两种情况都会增加线电容，若要更快地读出就会导致更高的读出噪声。为解 决PPS的噪声问题，通过在芯片上集成模拟信号处理电路来减少FPN，可以达到很好的效 果。还有用一个双关取样电路的列并行微分结构来消除寄生电流的影响，大大减少了像元间 固定噪声和列间固定噪声。2.有源像元图像传感器（APS ）1992年美国喷气推进实验室（JPL ）开始研究和发展有源像元传感器在太空上的应用， 后来一些美国公司也加入了有源像元传感器的研究，如Kodak、Motorola、Luce nt、 Natio nal、emlco nducto
7、r、In tel 和 Hewlett-Packard。有源像元传感器主要有光敏二极 管型（PD- APS ）和光栅型（PG- APS ）两种类型。有源像元APS几乎与无源像元一起出 现。它由于采用了主动式放大缓冲器，该放大器在读取信号时，功耗比较小。但由于结构复 杂些，像元填充率一般是20% 30%。为了补偿像元填充率不高引起的不足，有些芯片引 入了显微透镜，以期将更多的光聚集到像元采集阵列上，从而提高信号质量。深亚微米技术 的采用将会大幅度提高填充率。有源像元APS中的光敏二极管型PD - APS基本结构如图 2.28 所示。由图2.28看出，有源像元APS是由光敏二极管、复位RST、源极跟
8、随器和行选通管 RS 组成。光照射到光敏二极管产生电荷，这些电荷通过源极跟随器缓冲输出；当行选通管 选通时，电荷通过列总线输出。行选通管关闭，复位管RST打开对光敏二极管复位。上面 只是一个简单的原理性过程，在实际工作时，其读出、复位是比较复杂的。例如，为了抑制 固定图形噪声需采用相关双采样，不但要读取信号电压，还要读取复位后光敏二极管的电压。 这种结构的APS量子效率比较高，由于采用了新的消噪技术，输出图形信号质量比以前有 许多提高，读出噪声一般为（75 -100 ）个电子。此种结构的APS适合于中低档的应用场 厶 合。另外一种APS为光栅型APS。它是由美国JPL实验室首先推出的，它生成的
9、图像信号 质量较高，现在倍受关注。它的基本结构如图2.29所示。它由光栅PG、开关管TX、复位 管RST、源极跟随器和行选通管RS构成。当光照射像元时，在光栅管PG处产生电荷；同 时，复位管RST打开，对势阱进行复位，复位完毕，复位管关闭，行选通管打开，势阱复 位后的电势由此通路被读出并暂存起来。之后，开关管打开，光照产生的电荷进入势阱并被 读出。前后两次读出的电位差就是真正的图像信号。实际上，上述过程为一个信号相关双采 样（CDS ）。由于相关双采样以及势阱阈值电平为可变的，复位噪声、1/f噪声和固定图形 噪声被抑制了许多。其读出噪声为（1020 ）个电子。但它的工艺比较复杂，严格说并不 能
10、算完全的高速CMOS工艺。由于多晶硅覆盖层的引入，使其量子效率比较低，尤其对蓝 光更是如此。就目前看来，其整体性能优势并不十分突出。对数式像元结构如图2.30所示。它由光敏二极管、负载管Ioad、源极跟随器和行选通 管RS组成。该像元输出的信号与入射光信号成对数关系，像元采集的光信号的动态范围可以很宽。另外，该单元是无积分单元。因此，可以实现真正意义上的随时信号读取。也正是由于像元无积分使得它对暗光线的反应时间较长，并且固定图形噪声较大，信噪比不高。图 2.29 光栅型 APS 基本结构图图 2.30 对数式像元结构总之，通常有源像元传感器比无源像元传感器有更多的优点，包括低读出噪声、高读出
11、速度和能工作在大型阵列中。但是由于像元和晶体管数目的增多，恶化了阈值匹配和增益一致性，引发了固定噪声问题，而且填充系数也变小（20%30%）。为解决填充系数的问 题，APS引进CCDs的微透镜技术，使有效填充系数增为原来的2倍至3倍。为解决固定 噪声问题，1993年NASA通过采用双关取样（CDS）,消除了像元信号里的部分固定噪声 和相关的瞬态噪声，在高速CMOS图像传感器方面取得了显著的进步。有源像元还有其他特殊结构，如对数传输型、针扎光敏二极管型、浮栅放大器型等等。 在考虑灵敏度、噪声、像素大小以及线性度的情况下，每种类型都有各自的优缺点，我们要 根据不同的应用做出不同的选择。武汉中创联达科技有限公司，专业从事光电子影像产品（低照度相机、高速摄 像机， 超高速摄像机，高分辨率相机及其图像分析软件）的销售、研发， 提供特殊环境下的拍摄、 成像服务。经过多年的市场经验及技术积累，公司为国内客户提供燃烧、PIV、纤维成像、 焊接、等离子体放电、材料拉伸变形、仿生学等领域提供详细、专业的解决方案。
