CMOS圖像傳感器的基本原理及設(shè)計考慮

　　1、引言

　　20世紀(jì)70年代，CCD圖像傳感器和CMOS圖像傳感器同時起步。CCD圖像傳感器由于靈敏度高、噪聲低，逐步成為圖像傳感器的主流。但由于工藝上的原因，敏感元件和信號處理電路不能集成在同一芯片上，造成由CCD圖像傳感器組裝的攝像機(jī)體積大、功耗大。CMOS圖像傳感器以其體積小、功耗低在圖像傳感器市場上獨(dú)樹一幟。但最初市場上的CMOS圖像傳感器，一直沒有擺脫光照靈敏度低和圖像分辨率低的缺點(diǎn)，圖像質(zhì)量還無法與CCD圖像傳感器相比。

　　如果把CMOS圖像傳感器的光照靈敏度再提高5倍～10倍，把噪聲進(jìn)一步降低，CMOS圖像傳感器的圖像質(zhì)量就可以達(dá)到或略微超過CCD圖像傳感器的水平，同時能保持體積小、重量輕、功耗低、集成度高、價位低等優(yōu)點(diǎn)，如此，CMOS圖像傳感器取代CCD圖像傳感器就會成為事實(shí)。

　　由于CMOS圖像傳感器的應(yīng)用，新一代圖像系統(tǒng)的開發(fā)研制得到了極大的發(fā)展，并且隨著經(jīng)濟(jì)規(guī)模的形成，其生產(chǎn)成本也得到降低?，F(xiàn)在，CMOS圖像傳感器的畫面質(zhì)量也能與CCD圖像傳感器相媲美，這主要?dú)w功于圖像傳感器芯片設(shè)計的改進(jìn)，以及亞微米和深亞微米級設(shè)計增加了像素內(nèi)部的新功能。

　　實(shí)際上，更確切地說，CMOS圖像傳感器應(yīng)當(dāng)是一個圖像系統(tǒng)。一個典型的CMOS圖像傳感器通常包含：一個圖像傳感器核心（是將離散信號電平多路傳輸?shù)揭粋€單一的輸出，這與CCD圖像傳感器很相似），所有的時序邏輯、單一時鐘及芯片內(nèi)的可編程功能，比如增益調(diào)節(jié)、積分時間、窗口和模數(shù)轉(zhuǎn)換器。事實(shí)上，當(dāng)一位設(shè)計者購買了CMOS圖像傳感器后，他得到的是一個包括圖像陣列邏輯寄存器、存儲器、定時脈沖發(fā)生器和轉(zhuǎn)換器在內(nèi)的全部系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的CCD 圖像系統(tǒng)相比，把整個圖像系統(tǒng)集成在一塊芯片上不僅降低了功耗，而且具有重量較輕，占用空間減少以及總體價格更低的優(yōu)點(diǎn)。

圖1 早期的CCD圖像傳感器

　　2、基本原理

　　從某一方面來說，CMOS圖像傳感器在每個像素位置內(nèi)都有一個放大器，這就使其能在很低的帶寬情況下把離散的電荷信號包轉(zhuǎn)換成電壓輸出，而且也僅需要在幀速率下進(jìn)行重置。CMOS圖像傳感器的優(yōu)點(diǎn)之一就是它具有低的帶寬，并增加了信噪比。由于制造工藝的限制，早先的CMOS圖像傳感器無法將放大器放在像素位置以內(nèi)。這種被稱為PPS的技術(shù)，噪聲性能很不理想，而且還引來對CMOS圖像傳感器的種種干擾。

　　然而今天，隨著制作工藝的提高，使在像素內(nèi)部增加復(fù)雜功能的想法成為可能?，F(xiàn)在，在像素位置以內(nèi)已經(jīng)能增加諸如電子開關(guān)、互阻抗放大器和用來降低固定圖形噪聲的相關(guān)雙采樣保持電路以及消除噪聲等多種附加功能。實(shí)際上，在Conexant公司（前Rockwell半導(dǎo)體公司）的一臺先進(jìn)的CMOS 攝像機(jī)所用的CMOS圖傳感器上，每一個像素中都設(shè)計并使用了6個晶體管，測試到的讀出噪聲只有1均方根電子。不過，隨著像素內(nèi)電路數(shù)量的不斷增加，留給感光二極管的空間逐漸減少，為了避免這個比例（又稱占空因數(shù)或填充系數(shù)）的下降，一般都使用微透鏡，這是因?yàn)槊總€像素位置上的微小透鏡都能改變?nèi)肷涔饩€的方向，使得本來會落到連接點(diǎn)或晶體管上的光線重回到對光敏感的二極管區(qū)域。

　　因?yàn)殡姾杀幌拗圃谙袼匾詢?nèi)，所以CMOS圖像傳感器的另一個固有的優(yōu)點(diǎn)就是它的防光暈特性。在像素位置內(nèi)產(chǎn)生的電壓先是被切換到一個縱列的緩沖區(qū)內(nèi)，然后再被傳輸?shù)捷敵龇糯笃髦?，因此不會發(fā)生傳輸過程中的電荷損耗以及隨后產(chǎn)生的光暈現(xiàn)象。它的不利因素是每個像素中放大器的閾值電壓都有細(xì)小的差別，這種不均勻性就會引起固定圖像噪聲。然而，隨著CMOS圖像傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造工藝的不斷改進(jìn)，這種效應(yīng)已經(jīng)得到顯著弱化。

　　這種多功能的集成化，使得許多以前無法應(yīng)用圖像技術(shù)的地方現(xiàn)在也變得可行了，如孩子的玩具，更加分散的保安攝像機(jī)、嵌入在顯示器和膝上型計算機(jī)顯示器中的攝像機(jī)、帶相機(jī)的移動電路、指紋識別系統(tǒng)、甚至于醫(yī)學(xué)圖像上所使用的一次性照相機(jī)等，這些都已在某些設(shè)計者的考慮之中。

　　3設(shè)計考慮

　　然而，這個行業(yè)還有一個受到普遍關(guān)注的問題，那就是測量方法，具體指標(biāo)、陣列大小和特性等方面還缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。每一位工程師在比較各種資料一覽表時，可能會發(fā)現(xiàn)在一張表上列出的是關(guān)于讀出噪聲或信噪比的資料，而在另一張表上可能只是強(qiáng)調(diào)關(guān)于動態(tài)范圍或最大勢阱容量的資料。因此，這就要求設(shè)計者們能夠判斷哪一個參數(shù)對他們最重要，并且盡可能充分利用多產(chǎn)品的CMOS圖像傳感器家族。

　　一些關(guān)鍵的性能參數(shù)是任何一種圖像傳感器都需要關(guān)注的，包括信噪比、動態(tài)范圍、噪聲（固定圖形噪聲和讀出噪聲）、光學(xué)尺寸以及電壓的要求。應(yīng)當(dāng)知道并用來對比的重要參數(shù)有：最大勢阱容量、各種工作狀態(tài)下的讀出噪聲、量子效率以及暗電流，至于信噪比之類的其它參數(shù)都是由那些基本量度推導(dǎo)出來的。

　　對于像保安攝像機(jī)一類的低照度級的應(yīng)用，讀出噪聲和量子效應(yīng)最重要。然而對于象戶外攝影一類的中、高照度級的應(yīng)用，比較大的最大勢阱容量就顯得更為重要。

　　動態(tài)范圍和信噪比是最容易被誤解和誤用的參數(shù)。動態(tài)范圍是最大勢阱容量與最低讀出噪聲的比值，它之所以引起誤解，是因?yàn)樽x出噪聲經(jīng)常不是在典型的運(yùn)行速度下測得的，而且暗電流散粒噪聲也常常沒有被計算在內(nèi)。信噪比主要決定于入射光的亮度級（事實(shí)上，在亮度很低的情況下，噪聲可能比信號還要大）。

　　所以，信噪比應(yīng)該將所有的噪聲源都考慮在內(nèi)，有些資料一覽表中常常忽略散粒噪聲，而它恰恰是中、高信號電平的主要噪聲來源。而SNRDARK得到說明，實(shí)際上與動態(tài)范圍沒有什么兩樣。數(shù)字信噪比或數(shù)字動態(tài)范圍是另一個容易引起混淆的概念，它表明的只是模擬/數(shù)字（A/D）轉(zhuǎn)換器的一個特性。雖然這可能很重要，但它并不能精確地描述圖像的質(zhì)量。同時我們也應(yīng)清楚地認(rèn)識到，當(dāng)圖像傳感器具有多個可調(diào)模擬增益設(shè)置時，模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器的分辨率不會對圖像傳感器的動態(tài)范圍產(chǎn)生限制。

　　光學(xué)尺寸的概念的模糊，是由于傳統(tǒng)觀念而致。使用光導(dǎo)攝像管只能在部分范圍內(nèi)產(chǎn)生有用的圖像。它的計算包括度量單位的轉(zhuǎn)換和向上舍入的方法。采用向上舍入的方法，先以毫米為單位測量圖像傳感器的對角線除以16，就能得到以英寸為單位的光學(xué)尺寸。例如0.97cm的尺寸是1.27cm而不是 0.85cm。假如你選擇了一個光學(xué)尺寸為0.85cm的圖像傳感器，很可能出現(xiàn)圖像的四周角落上的映影（陰影）現(xiàn)象。這是因?yàn)橛行┵Y料一覽表欺騙性地使用了向下舍入的方法。例如，將0.97cm的尺寸稱為0.85cm，理由很簡單：0.85cm光學(xué)尺寸的圖像傳感器的價格要比1.27cm光學(xué)尺寸的圖像傳感器的價格低得多，但是這對系統(tǒng)工作性能產(chǎn)生不利影響。所以，設(shè)計者應(yīng)該通過計算試用各種不同的圖像傳感器來得到想要的性能。

　　CMOS圖像傳感器的一個很大的優(yōu)點(diǎn)就是它只要求一個單電壓來驅(qū)動整個裝置。不過設(shè)計者仍應(yīng)謹(jǐn)慎地布置電路板驅(qū)動芯片。根據(jù)實(shí)際要求，數(shù)字電壓和模擬電壓之間盡可能地分離開以防止串?dāng)_。因此良好的電路板設(shè)計，接地和屏蔽就顯得非常重要。盡管這種圖像傳感器是一個CMOS裝置并具有標(biāo)準(zhǔn)的輸入/輸出（I/O）電壓，但它實(shí)際的輸入信號相當(dāng)小，而且對噪聲也很敏感。

　　到目前為止，已設(shè)計出高集成度單芯片CMOS圖像傳感器。設(shè)計者力求使有關(guān)圖像的應(yīng)用更容易實(shí)現(xiàn)多功能，包括自動增益控制（AGC）、自動曝光控制（AEC）、自動平衡（AMB）、伽瑪樣正、背景補(bǔ)償和自動黑電平校正。所有的彩色矩陣處理功能都集成在芯片中。CMOS圖像傳感器允許片上的寄存器通過I2C總線對攝像機(jī)編程，具有動態(tài)范圍寬、抗浮散且?guī)缀鯖]有拖影的優(yōu)點(diǎn)。