CMOS圖像傳感器基本原理與應用簡介
2020-11-26 電子產品世界
1 引言
圖像傳感器是將光信號轉換為電信號的裝置，在數位電視、可視通信市場中有著廣泛的應用。60年代末期，美國貝爾實臉室發現電荷通過半導體勢阱發生轉移的現象，提出了固態成像這一新概念和一維CCD(Charge-Coupled Device 電荷耦合器件)模型器件。到90年代初，CCD技術已比較成熱，得到非常廣泛的應用。但是隨著CCD應用範圍的擴大，其缺點逐漸暴露出來。首先，CCD技術晶片技術工藝複雜，不能與標準工藝兼容。其次，CCD技術晶片需要的電壓功耗大，因此CCD技術晶片價格昂貴且使用不便。目前，最引人注目，最有發展潛力的是採用標準的CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor 互補金屬氧化物場效應管)技術來生產圖像傳感器，即CMOS圖像傳感器。CMOS圖像傳感器晶片採用了CMOS工藝，可將圖像採集單元和信號處理單元集成到同一塊晶片上。由於具有上述特點，它適合大規模批量生產，適用於要求小尺寸、低價格、攝像質量無過高要求的應用，如保安用小型、微型相機、手機、計算機網絡視頻會議系統、無線手持式視頻會議系統、條形碼掃描器、傳真機、玩具、生物顯微計數、某些車用攝像系統等大量商用領域。20世紀80年代，英國愛丁堡大學成功地製造出了世界上第一塊單片CMOS圖像傳感器件。目前，CMOS圖像傳感器正在得到廣泛的應用，具有很強地市場競爭力和廣闊地發展前景。
2 CMOS圖像傳感器基本工作原理
右圖為CMOS圖像傳感器的功能框圖。
首先，外界光照射像素陣列，發生光電效應，在像素單元內產生相應的電荷。行選擇邏輯單元根據需要，選通相應的行像素單元。行像素單元內的圖像信號通過各自所在列的信號總線傳輸到對應的模擬信號處理單元以及A/D轉換器，轉換成數字圖像信號輸出。其中的行選擇邏輯單元可以對像素陣列逐行掃描也可隔行掃描。行選擇邏輯單元與列選擇邏輯單元配合使用可以實現圖像的窗口提取功能。模擬信號處理單元的主要功能是對信號進行放大處理，並且提高信噪比。另外，為了獲得質量合格的實用攝像頭，晶片中必須包含各種控制電路，如曝光時間控制、自動增益控制等。為了使晶片中各部分電路按規定的節拍動作，必須使用多個時序控制信號。為了便於攝像頭的應用，還要求該晶片能輸出一些時序信號，如同步信號、行起始信號、場起始信號等。
3 象素陣列工作原理
圖像傳感器一個直觀的性能指標就是對圖像的復現的能力。而象素陣列就是直接關係到這一指標的關鍵的功能模塊。按照像素陣列單元結構的不同,可以將像素單元分為無源像素單元PPS(passive pixel schematic)，有源像素單元APS(active pixel schematic)和對數式像素單元，有源像素單元APS又可分為光敏二極體型APS、光柵型APS。
以上各種象素陣列單元各有特點，但是他們有著基本相同的工作原理。以下先介紹它們基本的工作原理，再介紹各種象素單元的特點。下圖是單個象素的示意圖。
(1) 首先進入「復位狀態」，此時打開門管M。電容被充電至V，二極體處於反向狀態；
(2) 然後進人「取樣狀態」。這時關閉門管M,在光照下二極體產生光電流，使電容上存貯的電荷放電，經過一個固定時間間隔後，電容C上存留的電荷量就與光照成正比例，這時就將一幅圖像攝入到了敏感元件陣列之中了；
(3) 最後進入「讀出狀態」。這時再打開門管M,逐個讀取各像素中電容C上存貯的電荷電壓。
無源像素單元PPS出現得最早，自出現以來結構沒有多大變化。無源像素單元PPS結構簡單，像素填充率高，量子效率比較高，但它有兩個顯著的缺點。一是，它的讀出噪聲比較大，其典型值為20個電子，而商業用的CCD級技術晶片其讀出噪聲典型值為20個電子。二，隨著像素個數的增加，讀出速率加快，於是讀出噪聲變大。
光敏二極體型APS量子效率比較高，由於採用了新的消噪技術，輸出圖形信號質量比以前有許多提高，讀出噪聲一般為75～100個電子,此種結構的C3適合於中低檔的應用場合。
在光柵型APS結構中，固定圖形噪聲得到了抑制。其讀出噪聲為10～20個電子。但它的工藝比較複雜，嚴格說並不能算完全的CMOS工藝。由於多晶矽覆蓋層的引入，使其量子效率比較低，尤其對藍光更是如此。就目前看來，其整體性能優勢並不十分突出。
4 影響CMOS傳感器性能的主要問題
4.1 噪聲
這是影響CMOS傳感器性能的首要問題。這種噪聲包括固定圖形噪聲FPN（Fixed pattern noise）、暗電流噪聲、熱噪聲等。固定圖形噪聲產生的原因是一束同樣的光照射到兩個不同的象素上產生的輸出信號不完全相同。噪聲正是這樣被引入的。對付固定圖形噪聲可以應用雙採樣或相關雙採樣技術。具體地說來有點像在設計模擬放大器時引入差分對來抑制共模噪聲。雙採樣是先讀出光照產生的電荷積分信號，暫存然後對象素單元進行復位，再讀取此象素單元地輸出信號。兩者相減得出圖像信號。兩種採樣均能有效抑制固定圖形噪聲。另外，相關雙採樣需要臨時存儲單元，隨著象素地增加，存儲單元也要增加。
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