CMOS传感器

当今的CMOS图像转换技术不仅服务于“传统的”工业图像处理,而且还凭借其杰出的性能和灵活性而被日益广泛的新颖消费应用所接纳。此外,它还能确保汽车驾驶时的高安全性和舒适性。最初,CMOS图像传感器被应用于工业图像处理;在那些旨在提高生产率、质量和生产工艺经济性的全新自动化解决方案中,它至今(2020)仍然是至关重要的一环。

据市场研究公司IMS Research的预测,在未来的几年中,欧洲工业图像处理市场的年成长率将达到6%,其中,在相机中集成了软件功能的智能型解决方案的市场份额将不断扩大。在德国,据其全国工具机供应商协会VDMA提供的数据,2004年的图像处理市场增长率达到了14%。市场调研公司In-Stat/MDR亦指出,单就图像传感器的次级市场而言,其年成长率将高达30%以上,而且这种情况将持续到2008年。最为重要的是:CMOS传感器的成长速度将达到CCD传感器的七倍,照相手机和数码相机的迅速普及是这种需求的主要推动因素。

显然,人们如此看好CMOS图像转换器的成长前景是基于这样一个事实,即:与垄断该领域长达30多年的CCD技术相比,它能够更好地满足用户对各种应用中新型图像传感器不断提升的品质要求,如更加灵活的图像捕获、更高的灵敏度、更宽的动态范围、更高的分辨率、更低的功耗以及更加优良的系统集成等。此外,CMOS图像转换器还造就了一些迄今为止尚不能以经济的方式来实现的新颖应用。另外,还有一些有利于CMOS传感器的“软”标准在起作用,包括:应用支持、抗辐射性、快门类型、开窗口和光谱覆盖率等。不过,这种区别稍带几分任意性,因为这些标准的重要程度将由于应用的不同(消费、工业或汽车)而发生变化。

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。

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。

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;

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;

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,但它有两个显着的缺点。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。

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。

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

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。

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。

1.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。

2. 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。

3. 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。

1. 数码相机

人们使用胶卷照相机已经上百年了,20世纪80年代以来,人们利用高新技术,发展了不用胶卷的CCD数码相机。使传统的胶卷照相机产生了根本的变化。电可写可控的廉价FLASH ROM的出现,以及低功耗、低价位的CMOS摄像头的问世。为数码相机打开了新的局面,数码相机功能框图如下图所示。

从图中可以看出,数码相机的内部装置已经和传统照相机完全不同了,彩色CMOS摄像头在电子快门的控制下,摄取一幅照片存于DRAM中,然后再转至FLASH ROM中存放起来。根据FLASH ROM的容量和图像数据的压缩水平,可以决定能存照片的张数。如果将ROM换成PCMCIA卡,就可以通过换卡,扩大数码相机的容量,这就像更换胶卷一样,将数码相机的数字图像信息转存至PC机的硬盘中存贮,这就大大方便了照片的存贮、检索、处理、编辑和传送。

2. CMOS数字摄像机

美国Omni Vison公司推出的由OV7610型CMOS彩色数字图像芯片和OV511型高级摄像机以及USB接口芯片所组成的USB摄像机,其分辨率高达640 x 480,适用于通过通用串行总线传输的视频系统。OV511型高级摄像机的推出,可使得PC机能以更加实时的方法获取大量视频信息,其压缩芯片的压缩比可以达到7:1,从而保证了图像传感器到PC机的快速图像传输。对于CIF图像格式,OV511型可支持高达30帧/秒的传输速率、减少了低带宽应用中通常会出现的图像跳动现象。OV511型作为高性能的USB接口的控制器,它具有足够的灵活性,适合包括视频会议、视频电子邮件、计算机多媒体和保安监控等场合应用。

3. 其他领域应用

CMOS图像传感器是一种多功能传感器,由于它兼具CCD图像传感器的性能,因此可进入CCD的应用领域,但它又有自己独特的优点,所以开拓了许多新的应用领域。除了上述介绍的主要应用之外,CMOS图像传感器还可应用于数字静态摄像机和医用小型摄像机。

最新(2020)CMOS传感器获得广泛应用的一个前提是其所拥有的较高灵敏度、较短曝光时间和日渐缩小的像素尺寸。像素灵敏度的一个衡量尺度是填充因子(感光面积与整个像素面积之比)与量子效率(由轰击屏幕的光子所生成的电子的数量)的乘积。CCD传感器因其技术的固有特性而拥有一个很大的填充因子。而在CMOS图像传感器中,为了实现堪与CCD转换器相媲美的噪声指标和灵敏度水平,人们给CMOS图像传感器装配上了有源像素传感器(APS),并且导致填充因子降低,原因是像素表面相当大的一部分面积被放大器晶体管所占用,留给光电二极管的可用空间较小。所以,当今CMOS传感器的一个重要的开发目标就是扩大填充因子。赛普拉斯(FillFactory)通过其获得专利授权的一项技术,可以大幅度地提高填充因子,这种技术可以把一颗标准CMOS硅芯片最大的一部分面积变为一块感光区域。随着像素尺寸的变小,提高填充因子所来越困难,目前最流行的技术是从传统的前感光式(FSI,Front Side Illumination)变为背部感光式(BSI,Back Side Illumination),放大器等晶体管以及互联电路置于背部,前部全部留给光电二极管,这样就实现了100%的填充因子(如右侧示意图所示)。

另外,对于一个典型的工业用图象传感器而言,由于许多场景的拍摄都是在照明条件很差的情况下进行的,因此拥有较大的动态范围将是十分有益的。CMOS图像传感器通过多斜率操作实现了这一目标:转换曲线由倾度不同的直线部分所组成,它们共同形成了一个非线性特征曲线。因此,一幅场景的黑暗部分有可能占据集成模拟-数字转换器转换范围的很大一部分:转换特征曲线在这里最为陡峭,以实现高灵敏度和对比度。特征曲线上半部分的平整化将在图像的明亮部分捕获几个数量级的过度曝光,并以一个更加细致的标度来表现它们。采用多斜率的方式来运作LUPA-4000将使高达90dB的光动态范围与一个10位A/D转换范围相匹配。

具有VGA分辨率的IM-001系列CMOS图像传感器在此基础上更进一步;它们是专为汽车应用而设计的。其像素由光电二极管组成,可提供高达120dB的自适应动态范围。面向汽车应用的ACM 100相机模块就采用了这些传感器,这种相机模块据称是同类产品中率先面市的全集成化相机解决方案:该视觉解决方案被看作是面向驾驶者保护、防撞、夜视支持和轮胎跟踪导向的未来汽车安全系统的关键元件。

此外,对于独立于电网的便携式应用而言,以低功耗特性而著称的CMOS技术还具有一个明显的优势:CMOS图像传感器是针对5V和3.3V电源电压而设计的。而CCD芯片则需要大约12V的电源电压,因此不得不采用一个电压转换器,从而导致功耗增加。在总功耗方面,把控制和系统功能集成到CMOS传感器中将带来另一个好处:它去除了与其他半导体元件的所有外部连接线。其高功耗的驱动器如今已遭弃用,这是因为在芯片内部进行通信所消耗的能量要比通过PCB或衬底的外部实现方式低得多。

在现代CMOS图像传感器中,一个重要的发展趋势是其光谱灵敏度扩展到了近红外区NIR(至约1,100nm的波长)。配备了IM-001 CMOS图像传感器的汽车应用将改善雾穿透力和夜视能力。由于工业图像捕获技术开始运用更多波长位于NIR之中的光源,而且生物技术也在利用该光谱区域中的有趣现象,因此,新开发的IBIS 5-AE-1300传感器具有700～900nm的NIR灵敏度。

在面向消费应用的图像捕获技术中,另一个发展趋势是继续提高分辨率。到2005年年中,70%左右的手机相机已具有VGA格式分辨率(640×480像素);但随后的2006年,几百万像素的传感器就将占领50%的市场份额,而到2008年,其市场占有率预计将进一步攀升至90%以上。为此,赛普拉斯公司开发了一种用于蜂窝电话的300万像素图像传感器,该产品采用了Autobrite技术,可进行12位模拟/数字转换,并提供了72dB的宽广动态范围,而市面上的10位模拟/数字转换器的动态范围仅为60dB。逐行扫描模式中的帧速率高达30帧/秒,因而可录制实况视频节目。

在工业和商业领域中,这种发展趋势也很明显:赛普拉斯已推出一款用于Kodak数码相机的1,300万像素/35mm图像传感器,另外,660万像素的IBIS 4-6600传感器正在一种面向弱视人群的自动阅读辅助装置中证明自己的杰出品质--它可在一幅完整的标准A4页面上提供出色的分辨率。

凭借技术实现系统集成 由于蜂窝电话、数码相机、MP3播放机和PDA等传统分离型功能设备的加速数字融合(即成为一部紧凑的消费型电子产品),导致人们越来越希望至少具有部分自主性的子系统能够在一部设备中提供极为宽泛的功能。这种趋势还将对专业测量技术产生影响:利用包含一个数码相机、PDA用户接口和WLAN联网能力的便携式检验工具,光测试和监视的应用范围将得到有效的拓展。作为一种平台技术,CMOS符合这一发展潮流:CCD图像转换器仍然需要采用外部逻辑电路来实现控制和模拟/数字转换功能,而CMOS标准逻辑器件则能够把传感器、控制器、转换器和评估逻辑电路等全部集成到一块芯片之中。

一个典型的例子如专门针对要求苛刻的消费应用而制作的CYIWCSC1300AA芯片的图像捕获电路。它基于130万像素图像传感器CYIWOSC1300AA 和一个用于提供误差插补、黑电平调整、透镜校正、信号互串校正、彩色马赛克修补、彩色校正、自动曝光、噪声抑制、特效和γ校正等等诸多功能的附加信号处理器。集成更多的系统功能(一直到自主型光电传感器系统)是可行的,这主要取决于诸如市场容量和开发成本等经济目标和限制因素。

IMS Research公司的资深市场分析家John Morse指出:“工业图像处理市场的变化非常快,不光是在技术层面上,而且还涉及近期发生的制造商合并事件。我们认为这种趋势还将继续下去。”果真如此,那么这同样适用于赛普拉斯公司:通过收购MIT(美国麻省理工学院)于1999年成立的SMal Camera Technologies公司,赛普拉斯已将其业务触角延伸到了消费和汽车领域;而兼并FillFactory(这是一家于1999年从总部位于比利时Leuven的著名欧洲微电子和纳米技术研究中心IMEC抽资脱离而成的公司)则使赛普拉斯进一步跻身工业领域。

CMOS图像传感器市场正在蓬勃发展之中,即将成为一个大规模市场。它在很大程度上仍然依赖于客户专用设计来满足规格和系统集成方面的一组定制要求。不过,它将越来越多地提供通用的标准解决方案。分辨率、帧速率和灵敏度的提高以及成本的下降正使其应用领域不断地扩大。

CMOS传感器按像素结构分为被动式与主动式两种。

CMOS传感器被动式

被动式像素结构(Passive Pixel Sensor.简称PPS),又叫无源式。它由一个反向偏置的光敏二极管和一个开关管构成。光敏二极管本质上是一个由P型半导体和N型半导体组成的PN结,它可等效为一个反向偏置的二极管和一个MOS电容并联。当开关管开启时,光敏二极管与垂直的列线(Column bus)连通。位于列线末端的电荷积分放大器读出电路(Charge integrating amplifier)保持列线电压为一常数,当光敏二极管存贮的信号电荷被读出时,其电压被复位到列线电压水平,与此同时,与光信号成正比的电荷由电荷积分放大器转换为电荷输出。

CMOS传感器主动式

主动式像素结构(Active Pixel Sensor.简称APS),又叫有源式,如图2所示. 几乎在CMOS PPS像素结构发明的同时,人们很快认识到在像素内引入缓冲器或放大器可以改善像素的性能,在CMOS APS中每一像素内都有自己的放大器。集成在表面的放大晶体管减少了像素元件的有效表面积,降低了“封装密度”,使40%～50%的入射光被反射。这种传感器的另一个问题是,如何使传感器的多通道放大器之间有较好的匹配,这可以通过降低残余水平的固定图形噪声较好地实现。由于CMOS APS像素内的每个放大器仅在此读出期间被激发,所以CMOS APS的功耗比CCD图像传感器的还小。

CMOS传感器填充因数

这填充因数(Fill Factor),又叫充满因数,它指像素上的光电二极管相对于像素表面的大小。量子效率(Quantun efficiency)是指一个像素被光子撞击后实际和理论最大值电子数的归一化值.被动式像素结构的电荷填充因数通常可达到70%,因此量子效率高。但光电二极管积累的电荷通常很小,很易受到杂波干扰。再说像素内部又没有信号放大器,只依赖垂直总线终端放大器,因而读出的信号杂波很大,其S/N比低,更因不同位置的像素杂波大小不一样(固定图形噪波FPN)而影响整个图像的质量。而主动性像素结构与被动式相比,它在每个像素处增加了一个放大器,可以将光电二极管积累的电荷转换成电压进行放大,大大提高了S/N比,从而提高了传输过程中抗干扰的能力。但由于放大器占据了过多的像素面积,因而它的填充因数相对较低,一般在25%-35%之间。

专家们认为,21世纪初全球CMOS图像传感器市场将在PC摄像机、移动通信市场、数码相机、摄像机市场市场等领域获得大幅度增长,在未来的几年时间内,在130 万像素至200万像素之下的产品中,将开始以CMOS传感器为主流。以小型化和低功耗CMOS图像传感器为核心的摄像机正在成为消费类产品的主流,上述领域将为图像传感器市场带来巨大发展。