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检测与转换技术报告
《CMOS图像传感器基本原理》

专 业： 电气工程及其自动化
班 级： 电气110X班
姓 名： XXX
学 号： 311108000XXX

2013年12月
一、引言
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。20世纪80年代，英国爱丁堡大学成功地制造出了世界上第一块单片CMOS图像传感器件。目前，CMOS图像传感器正在得到广泛的应用，具有很强地市场竞争力和广阔地发展前景。
二、CMOS传感器的基本工作原理
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。

三、象素阵列工作原理
图像传感器一个直观的性能指标就是对图像的复现的能力。而象素阵列就是直接关系到这一指标的关键的功能模块。按照像素阵列单元结构的不同,可以将像素单元分为无源像素单元PPS(passive pixel schematic)，有源像素单元APS(active pixel schematic)和对数式像素单元，有源像素单元APS又可分为光敏二极管型APS、光栅型APS。
以上各种象素阵列单元各有特点，但是他们有着基本相同的工作原理。以下先介绍它们基本的工作原理，再介绍各种象素单元的特点。下图是单个象素的示意图。
(1) 首先进入“复位状态”，此时打开门管M。电容被充电至V，二极管处于反向状态；
(2) 然后进人“取样状态”。这时关闭门管M,在光照下二极管产生光电流，使电容上存贮的电荷放电，经过一个固定时间间隔后，电容C上存留的电荷量就与光照成正比例，这时就将一幅图像摄入到了敏感元件阵列之中了；
(3) 最后进入“读出状态”。这时再打开门管M,逐个读取各像素中电容C上存贮的电荷电压。
无源像素单元PPS出现得最早，自出现以来结构没有多大变化。无源像素单元PPS结构简单，像素填充率高，量子效率比较高，但它有两个显著的缺点。一是，它的读出噪声比较大，其典型值为20个电子，而商业用的CCD级技术芯片其读出噪声典型值为20个电子。二，随着像素个数的增加，读出速率加快，于是读出噪声变大。
光敏二极管型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C3&适合于中低档的应用场合。
在光栅型APS结构中，固定图形噪声得到了抑制。其读出噪声为10～20个电子。但它的工艺比较复杂，严格说并不能算完全的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。

CMOS图像传感器的功能框图

四、CCD与CMOS传感器的区别
CCD与CMOS传感器是当前被普遍采用的两种图像传感器，两者都是利用感光二极管(photodiode)进行光电转换，将图像转换为数字数据，而其主要差异是数字数据传送的方式不同。
　　由于数据传送方式不同，因此CCD与CMOS传感器在效能与应用上也有诸多差异，这些差异包括：
　　（1）灵敏度差异：由于CMOS传感器的每个象素由四个晶体管与一个感光二极管构成(含放大器与A/D转换电路)，使得每个象素的感光区域远小于象素本身的表面积，因此在象素尺寸相同的情况下，CMOS传感器的灵敏度要低于CCD传感器。
　　（2）成本差异：由于CMOS传感器采用一般半导体电路最常用的CMOS工艺，可以轻易地将周边电路(如AGC、CDS、Timing generator、或DSP等)集成到传感器芯片中，因此可以节省外围芯片的成本；除此之外，由于CCD采用电荷传递的方式传送数据，只要其中有一个象素不能运行，就会导致一整排的数据不能传送，因此控制CCD传感器的成品率比CMOS传感器困难许多，即使有经验的厂商也很难在产品问世的半年内突破 50%的水平，因此，CCD传感器的成本会高于CMOS传感器。
　　（3）分辨率差异：如上所述，CMOS传感器的每个象素都比CCD传感器复杂，其象素尺寸很难达到CCD传感器的水平，因此，当我们比较相同尺寸的CCD与CMOS传感器时，CCD传感器的分辨率通常会优于CMOS传感器的水平。例如，目前市面上CMOS传感器最高可达到210万象素的水平(OmniVision的 OV2610，2002年6月推出)，其尺寸为1/2英寸，象素尺寸为4.25μm，但Sony在2002年12月推出了ICX452，其尺寸与 OV2610相差不多(1/1.8英寸)，但分辨率却能高达513万象素，象素尺寸也只有2.78mm的水平。
　　（4）噪声差异：由于CMOS传感器的每个感光二极管都需搭配一个放大器，而放大器属于模拟电路，很难让每个放大器所得到的结果保持一致，因此与只有一个放大器放在芯片边缘的CCD传感器相比，CMOS传感器的噪声就会增加很多，影响图像品质。
　　(5)功耗差异：CMOS传感器的图像采集方式为主动式，感光二极管所产生的电荷会直接由晶体管放大输出，但CCD传感器为被动式采集，需外加电压让每个象素中的电荷移动，而此外加电压通常需要达到12~18V；因此，CCD传感器除了在电源管理电路设计上的难度更高之外(需外加 power IC)，高驱动电压更使其功耗远高于CMOS传感器的水平。举例来说，OmniVision近期推出的OV7640(1/4英寸、VGA)，在 30 fps的速度下运行，功耗仅为40mW；而致力于低功耗CCD传感器的Sanyo公司去年推出了1/7英寸、CIF等级的产品，其功耗却仍保持在90mW 以上，虽然该公司近期将推出35mW的新产品，但仍与CMOS传感器存在差距，且仍处于样品阶段。
　　综上所述，CCD传感器在灵敏度、分辨率、噪声控制等方面都优于CMOS传感器，而CMOS传感器则具有低成本、低功耗、以及高整合度的特点。不过，随着CCD与CMOS传感器技术的进步，两者的差异有逐渐缩小的态势，例如，CCD传感器一直在功耗上作改进，以应用于移动通信市场(这方面的代表业者为Sanyo)；CMOS传感器则在改善分辨率与灵敏度方面的不足，以应用于更高端的图像产品，我们可以从以下各主要厂商的产品规划来看出一些端倪。