深度解读CMOS图像传感器

图像传感器是将光信号转换为电信号的装置，在数字电视、可视通信市场中有着广泛的应用。60 年代末期，美国贝尔实脸室发现电荷通过半导体势阱发生转移的现象，提出了固态成像这一新概念和一维 CCD(Charge-Coupled Device 电荷耦合器件)模型器件。到 90 年代初，CCD 技术已比较成热，得到非常广泛的应用。

但是随着 CCD 应用范围的扩大，其缺点逐渐暴露出来。首先，CCD 技术芯片技术工艺复杂，不能与标准工艺兼容。其次，CCD 技术芯片需要的电压功耗大，因此 CCD 技术芯片价格昂贵且使用不便。
 
目前，最引人注目，最有发展潜力的是采用标准的 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor  互补金属氧化物场效应管)技术来生产图像传感器，即 CMOS 图像传感器。CMOS 图像传感器芯片采用了 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。由于具有上述特点，它适合大规模批量生产，适用于要求小尺寸、低价格、摄像质量无过高要求的应用，如保安用小型、微型相机、手机、计算机网络视频会议系统、无线手持式视频会议系统、条形码扫描器、传真机、玩具、生物显微计数、某些车用摄像系统等大量商用领域。

CMOS 图像传感器概述

CMOS 图像传感器是一种典型的固体成像传感器，与 CCD 有着共同的历史渊源。CMOS 图像传感器通常由像敏单元阵列、行驱动器、列驱动器、时序控制逻辑、AD 转换器、数据总线输出接口、控制接口等几部分组成这几部分通常都被集成在同一块硅片上。其工作过程一般可分为复位、光电转换、积分、读出几部分。
 
在 CMOS 图像传感器芯片上还可以集成其他数字信号处理电路，如 AD 转换器、自动曝光量控制、非均匀补偿、白平衡处理、黑电平控制、伽玛校正等，为了进行快速计算甚至可以将具有可编程功能的 DSP 器件与 CMOS 器件集成在一起，从而组成单片数字相机及图像处理系统。

更确切地说，CMOS 图像传感器应当是一个图像系统。一个典型的 CMOS 图像传感器通常包含：一个图像传感器核心（是将离散信号电平多路传输到一个单一的输出，这与 CCD 图像传感器很相似），所有的时序逻辑、单一时钟及芯片内的可编程功能，比如增益调节、积分时间、窗口和模数转换器。事实上，当一位设计者购买了 CMOS 图像传感器后，他得到的是一个包括图像阵列逻辑寄存器、存储器、定时脉冲发生器和转换器在内的全部系统。与传统的 CCD 图像系统相比，把整个图像系统集成在一块芯片上不仅降低了功耗，而且具有重量较轻，占用空间减少以及总体价格更低的优点。
 
CMOS 图像传感器基本工作原理

下图为 CMOS 图像传感器的功能框图。

首先，外界光照射像素阵列，发生光电效应，在像素单元内产生相应的电荷。行选择逻辑单元根据需要，选通相应的行像素单元。行像素单元内的图像信号通过各自所在列的信号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素阵列逐行扫描也可隔行扫描。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。另外，为了获得质量合格的实用摄像头，芯片中必须包含各种控制电路，如曝光时间控制、自动增益控制等。为了使芯片中各部分电路按规定的节拍动作，必须使用多个时序控制信号。为了便于摄像头的应用，还要求该芯片能输出一些时序信号，如同步信号、行起始信号、场起始信号等。
 
从某一方面来说，CMOS 图像传感器在每个像素位置内都有一个放大器，这就使其能在很低的带宽情况下把离散的电荷信号包转换成电压输出，而且也仅需要在帧速率下进行重置。CMOS 图像传感器的优点之一就是它具有低的带宽，并增加了信噪比。由于制造工艺的限制，早先的 CMOS 图像传感器无法将放大器放在像素位置以内。这种被称为 PPS 的技术，噪声性能很不理想，而且还引来对 CMOS 图像传感器的种种干扰。
 
然而今天，随着制作工艺的提高，使在像素内部增加复杂功能的想法成为可能。现在，在像素位置以内已经能增加诸如电子开关、互阻抗放大器和用来降低固定图形噪声的相关双采样保持电路以及消除噪声等多种附加功能。实际上，在 Conexant 公司（前 Rockwell 半导体公司）的一台先进的 CMOS 摄像机所用的 CMOS 图传感器上，每一个像素中都设计并使用了 6 个晶体管，测试到的读出噪声只有 1 均方根电子。不过，随着像素内电路数量的不断增加，留给感光二极管的空间逐渐减少，为了避免这个比例（又称占空因数或填充系数）的下降，一般都使用微透镜，这是因为每个像素位置上的微小透镜都能改变入射光线的方向，使得本来会落到连接点或晶体管上的光线重回到对光敏感的二极管区域。
 
因为电荷被限制在像素以内，所以 CMOS 图像传感器的另一个固有的优点就是它的防光晕特性。在像素位置内产生的电压先是被切换到一个纵列的缓冲区内，然后再被传输到输出放大器中，因此不会发生传输过程中的电荷损耗以及随后产生的光晕现象。它的不利因素是每个像素中放大器的阈值电压都有细小的差别，这种不均匀性就会引起固定图像噪声。然而，随着 CMOS 图像传感器的结构设计和制造工艺的不断改进，这种效应已经得到显著弱化。
 
这种多功能的集成化，使得许多以前无法应用图像技术的地方现在也变得可行了，如孩子的玩具，更加分散的保安摄像机、嵌入在显示器和膝上型计算机显示器中的摄像机、带相机的移动电路、指纹识别系统、甚至于医学图像上所使用的一次性照相机等，这些都已在某些设计者的考虑之中。
 
CMOS 图像传感器相关技术
像元结构和工作原理
CMOS 图像传感器的光电转换原理与 CCD 基本相同，其光敏单元受到光照后产生光生电子。而信号的读出方法却与 CCD 不同，每个 CMOS 源像素传感单元都有自己的缓冲放大器，而且可以被单独选址和读出。
 
下图上部给出了 MOS 三极管和光敏二极管组成的相当于一个像元的结构剖面，在光积分期间，MOS 三极管截止，光敏二极管随入射光的强弱产生对应的载流子并存储在源极的 P．N 结部位上[1]。当积分期结束时，扫描脉冲加在 MOS 三极管的栅极上，使其导通，光敏二极管复位到参考电位，并引起视频电流在负载上流过，其大小与入射光强对应。图 2-1 下部给出了 - 个具体的像元结构，由图可知，MOS 三极管源极 P．N 结起光电变换和载流子存储作用，当栅极加有脉冲信号时，视频信号被读出。

CMOS 图像传感器阵列结构

下图所示的是 CMOS 像敏元阵列结构，它由水平移位寄存器、垂直移位寄存器和 CMOS 像敏元阵列组成。

（1 一垂直移位寄存器：2 一水平移位寄存器；3 一水平扫描开关；4 一垂直扫描开关；5 一像敏元阵列；6 一信号线；7 一像敏元）
 
下图是 CMOS 摄像器件的原理框图。

如前所述，各 MOS 晶体管在水平和垂直扫描电路的脉冲驱动下起开关作用。水平移位寄存器从左至右顺次地接通起水平扫描作用的 MOS 晶体管，也就是寻址列的作用，垂直移位寄存器顺次地寻址列阵的各行。每个像元由光敏二极管和起垂直开关作用的 MOS 晶体管组成，在水平移位寄存器产生的脉冲作用下顺次接通水平开关，在垂直移位寄存器产生的脉冲作用下接通垂直开关，于是顺次给像元的光敏二极管加上参考电压(偏压)。被光照的二极管产生载流子使结电容放电，这就是积分期间信号的积累过程。而上述接通偏压的过程同时也是信号读出过程。在负载上形成的视频信号大小正比于该像元上的光照强弱。
 
CMOS 图像传感器的功能结构及工作原理

如图所示，给出了 CMOS 图像传感器结构框图信号流程图，首先，景物通过成像透镜聚焦到图像传感器阵列上，而图像传感器阵列是一个二维的像素阵列，每一个像素上都包括一个光敏二极管，每个像素中的光敏二极管将其阵列表面的光强转换为电信号，然后通过行选择电路和列选择电路选取希望操作的像素，并将像素上的电信号读取出来，放大后送相关双采样 CDS 电路处理，相关双采样是高质量器件用来消除一些干扰的重要方法，其基本原理是由图像传感器引出两路输出，一路为实时信号，另外一路为参考信号，通过两路信号的差分去掉相同或相关的干扰信号，这种方法可以减少 KTC 噪声、复位噪声和固定模式噪声 FPN(Fixed Pattern Noise)，同时也可以降低 1／f 噪声，提高了信噪比，此外，它还可以完成信号积分、放大、采样、保持等功能。然后信号输出到模拟／数字转换器上变换成数字信号输出。
 
CMOS 图像传感器结构类型

CCD 型和 CMOS 型固态图像传感器在光检测方面都利用了硅的光电效应原理，不同点在于像素光生电荷的读出方式。典型的 CMOS 像素阵列，是一个二维可编址传感器阵列。传感器的每一列与一个位线相连，行允许线允许所选择的行内每一个敏感单元输出信号送入它所对应的位线上，位线末端是多路选择器，按照各列独立的列编址进行选择。

根据像素的不同结构，CMOS 图像传感器可以分为无源像素被动式传感器（PPS）和有源像素主动式传感器（APS）。根据光生电荷的不同产生方式 APS 又分为光敏二极管型、光栅型和对数响应型，现在又提出了 DPS(digital pixel sensor)概念。
 
无源像素被动式传感器

PPS 出现得最早，结构也最简单，使得 CMOS 图像传感器走向实用化，其结构原理如图 3 所示。每一个像素包含一个光敏二极管和一个开关管 TX。当 TX 选通时，光敏二极管中由于光照产生的电荷传送到了列线 col,列线下端的积分放大器将该信号转化为电压输出，光敏二极管中产生的电荷与光信号成一定的比例关系。无源像素具有单元结构简单、寻址简单、填充系数高、量子效率高等优点，但它灵敏度低、读出噪声大。因此 PPS 不利于向大型阵列发展，所以限制了应用，很快被 APS 代替
 
光敏二极管像素单元

光敏二极管像素单元是由光敏二极管，复位管，源跟随和行选通开关管组成，此外还有电荷溢出门管 M3，M3 的作用是增加电路的灵敏度，用一个较小的电容就能够检测到整个光敏二极管的 n+扩散区所产生的全部光生电荷，它的栅极接约 1V 的恒定电压，在分析器件工作原理时可以忽略将其看成短路。电荷敏感扩散电容用做收集光生电荷。复位管 M4 对光敏二极管和电容复位，同时作为横向溢出门控制光生电荷的积累和转移。源跟随器 M1 的作用是实现对信号的放大和缓冲，改善 APS 的噪声问题。源跟随器还可加快总线电容的充放电，因而允许总线长度增加和像素规模增大。因此，APS 比 PPS 具有低读出噪声和高读出速率等优点，但像素单元结构复杂，填充系数降低，填充系数一般只有 20%到 30%。它的工作过程是：首先进入“复位状态”，复位管打开，对光敏二极管复位；然后进入“取样状态”，复位管关闭，光照射到光敏二极管上产生光生载流子，并通过源跟随器放大输出；最后进入“读出状态”，这时行选通管打开，信号通过列总线输出。
 
光栅型 APS

光栅型 APS 是由美国喷气推进实验室（JPL）首先推出的。其中感光结构由光栅 PG 和传输门 TX 构成。光栅输出端为漂移扩散端，它与光栅 PG 被传输门 TX 隔开。像素单元还包括一个复位晶体管，一个源跟随器和一个行选通晶体管。当光照射在像素单元时，在光栅 PG 处产生电荷；与此同时，复位管打开，对势阱复位；然后复位管关闭，行选通管打开，复位后的电信号由此通路被读出并暂存起来，之后传输门 TX 打开，光照产生的电信号通过势阱并被读出，前后两次的信号差就是真正的图像信号。
 
对数响应型 CMOS-APS

对数响应型 CMOS-APS 拥有很高的动态范围。它由光敏二极管、负载管、源跟随器和行选通管组成，负载管栅极是一恒定偏置电压（不一定要是电源电压），该像素单元输出信号与入射光信号成对数关系，它的工作特点是光线被连续地转化为信号电压，而不像一般 APS 那样存在复位和积分过程。但是，对数响应型 CMOS-APS 的一个致命缺陷就是对器件参数相当敏感，特别是阈值电压。
 
PPS 和 APS 都是在像素外进行模 / 数（A/D）转换的，而 DPS 将模 / 数（A/D）转换集成在每一个像素单元里，每一个像素单元输出的是数字信号，工作速度更快，功耗更低。
 
影响 CMOS 传感器性能的主要问题

噪声

这是影响 CMOS 传感器性能的首要问题。这种噪声包括固定图形噪声 FPN（Fixed pattern noise）、暗电流噪声、热噪声等。固定图形噪声产生的原因是一束同样的光照射到两个不同的象素上产生的输出信号不完全相同。噪声正是这样被引入的。对付固定图形噪声可以应用双采样或相关双采样技术。具体地说来有点像在设计模拟放大器时引入差分对来抑制共模噪声。双采样是先读出光照产生的电荷积分信号，暂存然后对象素单元进行复位，再读取此象素单元地输出信号。两者相减得出图像信号。两种采样均能有效抑制固定图形噪声。另外，相关双采样需要临时存储单元，随着象素地增加，存储单元也要增加。
 
暗电流

物理器件不可能是理想的，如同亚阈值效应一样，由于杂质、受热等其他原因的影响，即使没有光照射到象素，象素单元也会产生电荷，这些电荷产生了暗电流。暗电流与光照产生的电荷很难进行区分。暗电流在像素阵列各处也不完全相同，它会导致固定图形噪声。对于含有积分功能的像素单元来说，暗电流所造成的固定图形噪声与积分时间成正比。暗电流的产生也是一个随机过程，它是散弹噪声的一个来源。因此，热噪声元件所产生的暗电流大小等于像素单元中的暗电流电子数的平方根。当长时间的积分单元被采用时，这种类型的噪声就变成了影响图像信号质量的主要因素，对于昏暗物体，长时间的积分是必要的，并且像素单元电容容量是有限的，于是暗电流电子的积累限制了积分的最长时间。
 
为减少暗电流对图像信号的影响，首先可以采取降温手段。但是，仅对芯片降温是远远不够的，由暗电流产生的固定图形噪声不能完全通过双采样克服。现在采用的有效的方法是从已获得的图像信号中减去参考暗电流信号。
 
象素的饱和与溢出模糊

类似于放大器由于线性区的范围有限而存在一个输入上限，对于 CMOS 图像传感芯片来说，它也有一个输入的上限。输入光信号若超过此上限，像素单元将饱和而不能进行光电转换。对于含有积分功能的像素单元来说，此上限由光电子积分单元的容量大小决定：对于不含积分功能的像素单元，该上限由流过光电二极管或三极管的最大电流决定。在输入光信号饱和时，溢出模糊就发生了。溢出模糊是由于像素单元的光电子饱和进而流出到邻近的像素单元上。溢出模糊反映到图像上就是一片特别亮的区域。这有些类似于照片上的曝光过度。溢出模糊可通过在像素单元内加入自动泄放管来克服，泄放管可以有效地将过剩电荷排出。但是，这只是限制了溢出，却不能使象素能真实还原出图像了。 
 
CMOS 图像传感器参数
1、传感器尺寸
CMOS 图像传感器的尺寸越大，则成像系统的尺寸越大，捕获的光子越多，感光性能越好，信噪比越低。目前，CMOS 图像传感器的常见尺寸有 1 英寸、2/3 英寸、1/2 英寸、1/3 英寸、1/4 英寸等。

2、像素总数和有效像素数

像素总数是指所有像素的总和，像素总数是衡量 CMOS 图像传感器的主要技术指标之一。CMOS 图像传感器的总体像素中被用来进行有效的光电转换并输出图像信号的像素为有效像素。显而易见,有效像素总数隶属于像素总数集合。有效像素数目直接决定了 CMOS 图像传感器的分辨能力。 

3、动态范围

动态范围由 CMOS 图像传感器的信号处理能力和噪声决定,反映了 CMOS 图像传感器的工作范围。参照 CCD 的动态范围,其数值是输出端的信号峰值电压与均方根噪声电压之比,通常用 DB 表示。

4、灵敏度

图像传感器对入射光功率的响应能力被称为响应度。对于 CMOS 图像传感器来说,通常采用电流灵敏度来反映响应能力,电流灵敏度也就是单位光功率所产生的信号电流。
 
5、分辨率

分辨率是指 CMOS 图像传感器对景物中明暗细节的分辨能力。通常用调制传递函数(MTF)来表示,同时也可以用空间频率(lp/mm)来表示。
 
6、光电响应不均匀性

CMOS 图像传感器是离散采样型成像器件,光电响应不均匀性定义为 CMOS 图像传感器在标准的均匀照明条件下,各个像元的固定噪声电压峰峰值与信号电压的比值。
 
7、光谱响应特性

CMOS 图像传感器的信号电压 Vs 和信号电流 Is 是入射光波长λ的函数。光谱响应特性就是指 CMOS 图像传感器的响应能力随波长的变化关系,它决定了 CMOS 图像传感器的光谱范围。