1．引言
CMOS（ComplementaryMetalOxideSemiconductor，互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）圖像傳感器是利用CMOS工藝制造的圖像傳感器，主要利用了半導(dǎo)體的光電效應(yīng)，和電荷耦合器件（CCD）圖像傳感器的原理相同。
自從上世紀(jì)60年代末期，CMOS圖像傳感器與CCD圖像傳感器的研究幾乎同時(shí)起步，但由于受當(dāng)時(shí)工藝水平的限制，CMOS圖像傳感器圖像質(zhì)量差、分辨率低、噪聲降不下來和光照靈敏度不夠[1]，因而沒有得到重視和發(fā)展。而CCD器件因?yàn)橛泄庹侦`敏度高、噪音低、像素少等優(yōu)點(diǎn)一直主宰著圖像傳感器市場(chǎng)[2]。由于集成電路設(shè)計(jì)技術(shù)和工藝水平的提高，CMOS圖像傳感器過去存在的缺點(diǎn)，現(xiàn)在都可以找到辦法克服，而且它固有的優(yōu)點(diǎn)更是CCD器件所無法比擬的，因而它再次成為研究的熱點(diǎn)。
2．基本原理
CMOS型和CCD型固態(tài)圖像傳感器在光檢測(cè)方面都利用了硅的光電效應(yīng)原理，不同點(diǎn)在于像素光生電荷的讀出方式。CMOS圖像傳感器工作原理如圖1所示[3]。根據(jù)像素的不同結(jié)構(gòu)，CMOS圖像傳感器可以分為無源像素被動(dòng)式傳感器（PPS）和有源像素主動(dòng)式傳感器（APS）。根據(jù)光生電荷的不同產(chǎn)生方式APS又分為光敏二極管型、光柵型和對(duì)數(shù)響應(yīng)型，現(xiàn)在又提出了DPS(digitalpixelsensor)概念。
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（1）無源像素被動(dòng)式傳感器（PPS）
PPS的像素結(jié)構(gòu)包含一個(gè)光電二極管和一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管開關(guān)V，其像素結(jié)構(gòu)如圖2所示，圖3為信號(hào)時(shí)序圖。當(dāng)V選通時(shí)，光電二極管中由于光照產(chǎn)生的電荷傳送到了列選擇線，然后列選擇線下端的積分放大器將該信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓輸出，光電二極管中產(chǎn)生的電荷與光信號(hào)成一定的比例關(guān)系。無源像素具有單元結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尋址簡(jiǎn)單、填充系數(shù)高、量子效率高等優(yōu)點(diǎn)，但它靈敏度低、讀出噪聲大。因此PPS不利于向大型陣列發(fā)展，所以限制了應(yīng)用，很快被APS代替。
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（2）有源像素主動(dòng)式傳感器（APS）
APS像素結(jié)構(gòu)的基本電路如圖4所示。從圖上可以看出，場(chǎng)效應(yīng)管V1構(gòu)成光電二極管的負(fù)載，它的柵極接在復(fù)位信號(hào)線上，當(dāng)復(fù)位脈沖出現(xiàn)時(shí)，V1導(dǎo)通，光電二極管被瞬時(shí)復(fù)位；而當(dāng)復(fù)位脈沖消失后，V1截止，光電二極管開始積分光信號(hào)。圖5為上述過程的時(shí)序圖，其中，復(fù)位脈沖首先來到，V1導(dǎo)通，光電二極管復(fù)位；復(fù)位脈沖消失后，光電二極管進(jìn)行積分；積分結(jié)束后，V3管導(dǎo)通，信號(hào)輸出。
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（3）數(shù)字像素圖像傳感器（DPS）
上面提到的無源像素傳感器和器和有源像素傳感器的像素讀出均為模擬信號(hào)，于是它們又通稱為模擬像素傳感器。近年來，美國(guó)斯坦福大學(xué)提出了一種新的CMOS圖像傳感器結(jié)構(gòu)一數(shù)字像素傳感器（DPS），在像素單元里集成了ADC（Analog-to-DigitalConvertor）和存儲(chǔ)單元[4]。由于這種結(jié)構(gòu)的像素單元讀出為數(shù)字信號(hào)，其它電路都為數(shù)字邏輯電路，因此數(shù)字像素傳感器的讀出速度極快，具有電子快門的效果，非常適合高速應(yīng)用，而且它不像讀出模擬信號(hào)的過程，不存在器件噪聲對(duì)其產(chǎn)生干擾。另外，由于DPS充分利用了數(shù)字電路的優(yōu)點(diǎn)，因
此易于隨著CMOS工藝的進(jìn)步而提高解析度，性能也將很快達(dá)到并超過CCD圖像傳感器，并且實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的單片集成。
3．性能指標(biāo)[5]
CMOS圖像傳感器與CCD圖像傳感器相比，具有功耗低、攝像系統(tǒng)尺寸小、可將信號(hào)處理電路與MOS圖像傳感器集成在一個(gè)芯片上等優(yōu)點(diǎn)。但其圖像質(zhì)量（特別是低亮度環(huán)境下）與系統(tǒng)靈活性與CCD相比相對(duì)較低。表1列出CCD與CMOS圖像傳感器的特點(diǎn)，從表中可見CMOS與CCD圖像傳感器各有特點(diǎn)，二者互為補(bǔ)充，不會(huì)出現(xiàn)誰(shuí)消滅誰(shuí)的結(jié)局)，在可預(yù)見的未來將并存發(fā)展，共同繁榮圖像傳感器市場(chǎng)。
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（1）傳感器尺寸
CMOS圖像傳感器的尺寸越大,則成像系統(tǒng)的尺寸越大。目前,CMOS圖像傳感器的常見尺寸有1英寸、2/3英寸、1/2英寸、1/3英寸、1/4英寸等。
（2）像素總數(shù)和有效像素?cái)?shù)
像素總數(shù)是衡量CMOS圖像傳感器的主要技術(shù)指標(biāo)之一。CMOS圖像傳感器的總體像素中被用來進(jìn)行有效的光電轉(zhuǎn)換并輸出圖像信號(hào)的像素為有效像素。顯而易見,有效像素總數(shù)隸屬于像素總數(shù)集合。有效像素?cái)?shù)目直接決定了CMOS圖像傳感器的分辨能力。
（3）最小照度
最小照度是指在使用最大光圈增益、攝取特定目標(biāo)時(shí)視頻信號(hào)輸出幅度為100IRE所對(duì)應(yīng)的入射光的最小值。
（4）動(dòng)態(tài)范圍
動(dòng)態(tài)范圍由CMOS圖像傳感器的信號(hào)處理能力和噪聲決定,反映了CMOS圖像傳感器的工作范圍。參照CCD的動(dòng)態(tài)范圍,其數(shù)值是輸出端的信號(hào)峰值電壓與均方根噪聲電壓之比,通常用DB表示。
（5）靈敏度
圖像傳感器對(duì)入射光功率的響應(yīng)能力被稱為響應(yīng)度。對(duì)于CMOS圖像傳感器來說,通常采用電流靈敏度來反映響應(yīng)能力,電流靈敏度也就是單位光功率所產(chǎn)生的信號(hào)電流。
（6）分辨力
分辨力是指CMOS圖像傳感器對(duì)景物中明暗細(xì)節(jié)的分辨能力。通常用調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)來表示,同時(shí)也可以用空間頻率(lp/mm)來表示。
（7）光電響應(yīng)不均勻性
CMOS圖像傳感器是離散采樣型成像器件,光電響應(yīng)不均勻性定義為CMOS圖像傳感器在標(biāo)準(zhǔn)的均勻照明條件下,各個(gè)像元的固定噪聲電壓峰峰值與信號(hào)電壓的比值。
（8）光譜響應(yīng)特性
CMOS圖像傳感器的信號(hào)電壓Vs和信號(hào)電流Is是入射光波長(zhǎng)λ的函數(shù)。光譜響應(yīng)特性就是指CMOS圖像傳感器的響應(yīng)能力隨波長(zhǎng)的變化關(guān)系,它決定了CMOS圖像傳感器的光譜范圍。
4．關(guān)鍵技術(shù)問題及解決途徑[6]
5．（1）暗電流
暗電流是CMOS圖像傳感器的難題之一。CMOS成像器件均有較大的像
素尺寸，因此，在正常范圍內(nèi)也會(huì)產(chǎn)生一定的暗電流。暗電流限制了器件的靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍。通過改進(jìn)CMOS工藝，降低溫度，壓縮結(jié)面積，可降低暗電流的發(fā)生率，也可通過提高幀速率來縮短暗電流的匯集時(shí)間，從而減弱暗電流的影響。
（2）噪聲
噪聲的大小直接影響CMOS圖像傳感器對(duì)信號(hào)的采集和處理，因此,如何提高信噪比是CMOS圖像傳感器的關(guān)鍵技術(shù)之一。噪聲主要包括散粒噪聲、熱噪聲、1/f噪聲、非均勻噪聲和固定模式噪聲。采取以下措施可抑制噪聲和提高靈敏度：a.采用減少失調(diào)的獨(dú)特電路，使用制造更加穩(wěn)定的晶體管專用工藝；b.每個(gè)像元內(nèi)含一個(gè)對(duì)各種變化靈敏度相對(duì)較低的放大器；c.借鑒CCD圖像傳感器的制備技術(shù)，采用相關(guān)雙取樣電路技術(shù)和微透鏡陣列技術(shù)；d.光敏二極管設(shè)計(jì)成針形結(jié)構(gòu)或掩埋形結(jié)構(gòu)。
（3）填充系數(shù)
CMOS圖像傳感器的填充系數(shù)一般在20%~30%之間，而CCD圖像傳感器則高達(dá)80%以上，這主要是由于CMOS圖像傳感器的像素中集成了讀出電路。采用微透鏡陣列結(jié)構(gòu)，在整個(gè)CMOS有源像素傳感器的像元上放置一個(gè)微透鏡將光集中到有效面積上，可以大幅度提高靈敏度和填充系數(shù)。
（4）動(dòng)態(tài)范圍
動(dòng)態(tài)范圍是反映圖像傳感器性能的主要指標(biāo)之一。目前CMOS圖像傳感器的動(dòng)態(tài)范圍還稍遜于CCD，雖然對(duì)數(shù)響應(yīng)型CMOS圖像傳感器的動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)140dB，但同時(shí)也增加了圖像噪聲，影響了圖像質(zhì)量提高動(dòng)態(tài)范圍的方法之一就是利用PECVD超高真空系統(tǒng)以及專用集成電路（ASIC）薄膜技術(shù)，改進(jìn)光電二極管的材料組合，提高低灰度部位的感光度來提高動(dòng)態(tài)范圍。
5．研究進(jìn)展
視頻便攜式攝像機(jī)、掌上電腦、PDA和保安設(shè)備的巨大需求推動(dòng)了CMOS圖像傳感器的廣泛應(yīng)用。其中以APS發(fā)展最為迅速，過去工藝中各種不易解決的技術(shù)問題現(xiàn)在都能找到相應(yīng)的解決辦法，圖像質(zhì)量得到大大改善，像素規(guī)模已由最初的幾萬像素發(fā)展到現(xiàn)在的幾百萬上千萬像素。CDS電路，技術(shù)彩色濾波器陣列技術(shù)，數(shù)字信號(hào)處理（DSP）技術(shù)，噪聲抑制技術(shù)不斷有新突破，目前CMOS傳感器大都采用0.35mm或0.5mm的CMOS制造工藝，CMOS單元面積上的像素?cái)?shù)已與CCD相當(dāng)，因此可基本達(dá)到CCD器件的高分辨率。
目前CMOS圖像傳感器主要朝著高分辨率、高動(dòng)態(tài)范圍、高靈敏度、超微型化、數(shù)字化、多功能化的方向發(fā)展。隨著CMOS圖像傳感器技術(shù)的完善和發(fā)展，它的應(yīng)用范圍也會(huì)不斷拓寬，全球CMOS圖像傳感器銷售量將逐年大幅度增長(zhǎng)。