CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor�圖像傳感�出現(xiàn)�1969�,它是一種用傳統(tǒng)的芯片工藝方法將光敏元件、放大器、A/D�(zhuǎn)換器�存儲(chǔ)�、數(shù)字信�(hào)處理器和�(jì)算機(jī)接口電路等集成在一塊硅片上的圖�傳感��,它�(jié)�(gòu)�(jiǎn)�、處理功能多、成品率高和�(jià)格低�,有著廣泛的�(yīng)用前��
?�?)光照特�
CMOS傳感器的主要�(yīng)用也是圖像的采集,也要求能夠適應(yīng)更寬的光照范�。因此也必須采用非線性的處理方法和自�(dòng)�(diào)整曝光時(shí)間與自動(dòng)增益等處理方法。結(jié)果與CCD相機(jī)一樣損失了光電�(zhuǎn)換的線�,正�?yàn)榇隧?xiàng),它也受限于灰度的測(cè)��
?�?)輸出特�
CMOS圖像傳感器的突出�(yōu)�(diǎn)在于輸出特性,它可以部分輸出任意區(qū)域范圍內(nèi)的圖�。(并非所有CMOS傳感器都具有這�(gè)功能,如果生�(chǎn)廠家�(méi)有給您提供)這�(gè)特性在跟蹤、尋�、搜索及室外拍照等的�(yīng)用前景非常之好。也是CCD傳感器所�(wú)法辦到的�
?�?)光譜響�(yīng)
光譜響應(yīng)受半�(dǎo)體材料限�,同種硅材料的光譜響�(yīng)基本一�,與CCD的光譜響�(yīng)基本一��
�4)光敏單元的不均勻�
光敏單元的不均勻性是CMOS圖像傳感器的弱項(xiàng),因?yàn)樗墓饷魡卧幌馛CD那樣�(yán)格的在同一硅片上用同樣的制造工藝嚴(yán)格制造,因此�(yuǎn)不如CCD的光敏單元的一致性好,但是它�(nèi)部集成單元多,處理能力強(qiáng)能夠彌補(bǔ)這�(gè)缺陷�
完整� CMOS 攝像器件包含如圖 1 所示的各功能塊。下面分別介紹各功能塊的作用�
1 敏感元件陣列陣列中的每�(gè)像素如圖 2 所� ,工作�(guò)程如�:
(1)首先�(jìn)入“復(fù)位狀�(tài)� ,此時(shí)打開(kāi)門(mén)� M ,電容被充電至 V r ,二極管處于反向狀�(tài);(2)然后�(jìn)入“取樣狀�(tài)�。這時(shí)�(guān)閉門(mén)� M ,在光照下二極管產(chǎn)生光電流 ,使電容上存貯的電荷放� ,�(jīng)�(guò)一�(gè)固定�(shí)間間隔后 ,電容 C 上存留的電荷量就與光照成正比� ,這時(shí)就將一幅圖像攝入到了敏感元件陣列之中了;(3) �(jìn)入“讀出狀�(tài)�。這時(shí)再打�(kāi)門(mén)管M ,逐�(gè)讀取各像素中電� C上存貯的電荷電壓�
2 靈敏放大�
在敏感元件陣列中 ,各像素上反映光強(qiáng)的電荷量(電壓信號(hào)) ,是一�(gè)很弱的電信號(hào) ,必須�(jìn)行放� ,所以要求放大器不僅要十分靈� ,而且具有低的噪聲�
3 陣列掃描電路
水平移位寄存器可完成水平方向的掃� ,利用� ,可以�(shí)�(xiàn)從左向右或從右向� ,依次讀出某行中各列像素中的電信�(hào)。垂直移位寄存器可完成垂直方向的掃描 ,利用� ,可以�(shí)�(xiàn)從上向下依次讀出每行各像素中的電信�(hào) ,從而實(shí)�(xiàn)了對(duì)一幅圖像信息的掃描。為了輸出到外電� ,還要通過(guò)輸出放大� ,以提高驅(qū)�(dòng)能力�
4 控制電路
為了獲得�(zhì)量合格的�(shí)用攝像頭 ,芯片中必須包含各種控制電� ,如曝光時(shí)間控制、自�(dòng)增益控制� r 校正��
5 �(shí)序電�
為了使芯片中各部分電路按�(guī)定的節(jié)拍動(dòng)� ,必須使用多�(gè)�(shí)序控制信�(hào)。為了便于攝像頭的應(yīng)� ,還要求該芯片能輸出一些時(shí)序信�(hào) ,如同步信�(hào)、行起始信號(hào)、場(chǎng)起始信號(hào)��
6 性能特點(diǎn)
由于 CCD 圖像傳感器的制造工藝與 CMOS集成電路的制造工藝兼� ,所以用 CCD圖像傳感器作光電�(zhuǎn)換陣列時(shí) ,除敏感元件陣列外 ,攝像頭所必須的其他電� ,都只能制作在其余的集成電路芯片上�
正因?yàn)槿绱?,� CCD 攝像頭相� ,CMOS攝像頭具有功耗低、集成度高、價(jià)格低�、體積小和使用方便等�(yōu)�(diǎn)�
1 微型攝像�(jī)
在很多應(yīng)用場(chǎng)� ,隱蔽攝像�(jī)必須大大縮小攝像�(jī)的體� ,采用 CMOS圖像傳感器可方便地做到這一�(diǎn)。目前國(guó)�(nèi)市場(chǎng)上銷(xiāo)售的DV - 5016 型微型黑白攝像機(jī)(16 mm×16 mm×12 mm) ,其功耗只�50 mW ,配以高效可充電電� ,即使全天候工� ,也不�(huì)電路�(guò)熱和圖像�(zhì)量變�。近�(lái)推出中分辨率的CMOS黑白微型攝像�(jī) ,其靈敏度可達(dá)0. 1 lx ,圖像清晰度可等同� CCD攝像�(jī)��
目前可視門(mén)鈴或可視電話都是 CCD 非隱蔽式�。隨著治安要求不斷提� ,為確保門(mén)外或室內(nèi)外的攝像系統(tǒng)不被�(shí)破而遭到破� ,在室�(nèi)外安裝隱蔽式攝像系統(tǒng)將成為家用消�(fèi)系統(tǒng)的一種趨�(shì)。對(duì)于CMOS微型攝像�(jī) ,只要配有管狀鏡頭 ,就能�(dá)到隱蔽而難被破壞的目的�
微型 CMOS攝像�(jī)的各種配置已在汽�(chē)尾視、內(nèi)� —Tax 司機(jī)的監(jiān)視系�(tǒng)、塔吊起重、汽�(chē)防盜、電梯監(jiān)�、超市防�、銀行監(jiān)控、焦�(diǎn)采訪、監(jiān)獄、輯私等許多�(lǐng)域中得到�(yīng)�。由于其安裝�(jiǎn)�、使用方便、自�(dòng)啟動(dòng)、自�(dòng)錄像、費(fèi)用低 ,使其�(yīng)用也越來(lái)越廣��
2 CMOS�(shù)�?jǐn)z像機(jī)
美國(guó) Omni Vison 公司最近推出的� OV7610� CMOS彩色�(shù)字圖像芯片和 OV511 型攝像機(jī)以及 USB 接口芯片所組成� USB 攝像�(jī) ,其分辨率高達(dá) 640 ×480 ,適用于通過(guò)通用串行總線傳輸?shù)囊曨l系統(tǒng)�
OV511 型攝像機(jī)的推� ,可使� PC �(jī)能以更加�(shí)�(shí)的方法獲取大量視頻信� ,其壓縮芯片的壓縮比可以達(dá)� 7 :1 ,從而保證了圖像傳感器到PC�(jī)的快速圖像傳�。對(duì)于CIF圖像格式 ,OV511型可支持高達(dá) 30 幀/秒的傳輸速率 ,減少了低帶寬�(yīng)用中通常�(huì)出現(xiàn)的圖像跳�(dòng)�(xiàn)�。OV511 型作為高性能� USB 接口的控制器 ,它具有足夠的靈活� ,適合包括視頻�(huì)�、視頻電子郵�、計(jì)算機(jī)多媒體和保安�(jiān)控等�(chǎng)合應(yīng)��
�(dāng)它和 OV7610 � CMOS 彩色�(shù)字圖像傳感器�(jié)合起�(lái) ,可作成適用于所� PC �(jī)視頻輸入�(yīng)用的完美的低�(jià)位、高�(zhì)量的 USB 攝像�(jī)�
3 �(shù)碼相�(jī)
人們使用膠卷照相機(jī)已經(jīng)上百年了 ,20 世紀(jì) 80年代以來(lái) ,人們利用高新技�(shù) ,�(fā)展了不用膠卷的CCD�(shù)碼相�(jī) ,使傳�(tǒng)的膠卷照相機(jī)�(chǎn)生了根本的變�。電可寫(xiě)可控的廉�(jià)快閃( Flash) ROM 的出�(xiàn) ,以及低功耗、低�(jià)位的 CMOS攝像頭的�(wèn)� ,為數(shù)碼相�(jī)打開(kāi)了新的局� ,如圖 3 所�。從� 3 可以看出 ,�(shù)碼相�(jī)的內(nèi)部裝置已�(jīng)和傳�(tǒng)照相�(jī)完全不同� ,彩色 CMOS 攝像頭在電子快門(mén)的控制下 ,攝取一幅照片存� DRAM � ,然后再轉(zhuǎn)至快閃ROM中存放起�(lái)。根�(jù)快閃 ROM 的容量和圖像�(shù)�(jù)的壓縮水� ,可以決定能照片的張數(shù)。如果將ROM換成 PCMCIA� ,就可以通過(guò)換卡 ,�(kuò)大數(shù)碼相�(jī)的容� ,這就像更換膠卷一� ,將數(shù)碼相�(jī)的數(shù)字圖像信息轉(zhuǎn)存至 PC �(jī)的硬�(pán)中存� ,這就大大方便了照片的存貯、檢�、處理、編輯和傳��
4 手表式攝像機(jī)
英國(guó)布里斯托爾惠普研究實(shí)�(yàn)室的一�(gè)研究小組研制出新型手表式攝像�(jī)。這種攝像�(jī)利用單�(gè)芯片�(lái)�(shí)�(xiàn)攝像�(jī)所需的大部分功能 ,能置于手表中�(lái)處理和顯示所拍攝的靜止或�(yùn)�(dòng)圖像�
這種芯片同時(shí)獲取和處理圖� ,還可與手表或移動(dòng)電話等共享電�。利用特殊的端口 ,新型攝像�(jī)還可與現(xiàn)有攝像機(jī)或電視相�。據(jù)英國(guó)布里斯托爾惠普研究室的研究人員介� ,將來(lái)通過(guò)增加紅外線或�(wú)線電通信端口 ,手表式攝像機(jī)還有可能直接從�(gè)人電腦或電視�(jī)中下載圖像�
5 影像掌上電話
日本東京陶瓷公司研制出臺(tái)蜂窩式彩色影像掌上電話系�(tǒng)( PHS) 。這款新型電話配備英寸(1 英寸等于 2. 54 厘米)薄膜晶體管液晶顯示屏�( TFT LCD) � 11 �(wàn)像素� CMOS 圖像傳感� ,每秒可傳送或接收兩�(gè)�(huà)面及聲音。該電話零售�(jià)低于 4 �(wàn)日元(� 325 美元) �
6 其他�(yīng)用和市場(chǎng)
CMOS圖像傳感器是一種多功能傳感� ,由于它兼� CCD 圖像傳感器的性能 ,因此可�(jìn)� CCD的應(yīng)用領(lǐng)� ,但它又有自己�(dú)特的�(yōu)�(diǎn) ,所以為自已�(kāi)拓了許多新的�(yīng)用領(lǐng)�。目前主要應(yīng)用是保安�(jiān)控系�(tǒng)� PC攝像�(jī)�
除了上述主要�(yīng)用之� ,CMOS圖像傳感器還可應(yīng)用于�(shù)字靜�(tài)攝像�(jī)和醫(yī)用小型攝像機(jī)等。例� ,心臟外科�(yī)生可以在患者胸部安裝一�(gè)小“硅眼� ,以便在手�(shù)后監(jiān)視手�(shù)效果 ,CCD 就很難實(shí)�(xiàn)這種�(yīng)��
在CMOS 圖像傳感器中 ,由于集成了多種功� ,使得以往許多�(wú)法運(yùn)用圖像技�(shù)的地� ,能夠廣泛地應(yīng)用圖像技�(shù)。例如帶照相�(jī)的移�(dòng)電話、指紋識(shí)別系�(tǒng)、嵌入在顯示器和膝上型電腦顯示器中的攝像�(jī)、一次性照相機(jī)等�
1 低壓�(qū)�(dòng)掩埋光電二極管型CMOS圖像傳感�
CMOS圖像傳感器在低照度下成像�(zhì)量一直不如CCD,因而提高圖像質(zhì)量是CMOS圖像傳感器開(kāi)�(fā)的重�(diǎn)。東芝采用掩埋光電二極管新型�(jié)�(gòu),降低了漏泄電流,在低壓下也能確保無(wú)電荷殘余地完全讀出,�(shí)�(xiàn)了與CCD攝像器件同等的高�(zhì)量圖��
2 低噪聲高�(huà)�(zhì)CMOS圖像傳感�
索尼采用�(dú)特的"DRSCAN"噪聲消除技�(shù)和抑制暗電流�"HAD"�(jié)�(gòu),成功地試制出低噪聲高畫(huà)�(zhì)1/3英寸33�(wàn)像素CMOS圖像傳感�,并�(jì)劃盡快實(shí)�(xiàn)商品��
�(dú)特的"DRSCAN"(Dot Sequential Readout System with Current Amplified Signal Output Noise Reduction Circuit)技�(shù)即是在逐點(diǎn)順次讀出每像素信號(hào)和噪聲成分的同時(shí),在同一電路中消除晶體管特性不均引起的固定圖形噪聲,這是以前逐行消除難以做到�。為了消除暗電流引起的固定圖形噪�,還借鑒CCD�"HAD"(Hole accumulation diode)結(jié)�(gòu)。在傳感器表面形成空穴積累層,從而抑制非入射光引起的暗電流。這兩種固定圖形噪聲的降低,使S/N比提高了25�,實(shí)�(xiàn)了CMOS圖像傳感器的高畫(huà)�(zhì)。而且HAD�(jié)�(gòu)中采用L形門(mén)的像素結(jié)�(gòu),使幾乎所有的電子完全�(zhuǎn)�,實(shí)�(xiàn)了無(wú)拖影圖像信號(hào)輸出�
3 高靈敏度CMOS圖像傳感�
日本NEC公司采用0.35 m CMOS工藝技�(shù)研制成功了具有雙金屬光電屏蔽和氮化硅(Si3N4)抗反射膜的深P阱光電二極管�(jié)�(gòu)的CMOS-APS。為了改善器件的靈敏�,NEC公司在研制中采用了深P�,磷摻雜P型硅襯底,Si3N4、抗反射膜、耗盡晶體�、雙金屬光電屏蔽等新技�(shù)。光入射到常�(guī)光電二極管和新型光電二極管的反射�,前者為20% 30%,后者小�10%。由于入射光反射率的降低,提高了器件的靈敏度。其性能參數(shù)為:光學(xué)尺寸�1/3英寸,像�?cái)?shù)�658(H) 493(V),像素尺寸為7.4 m(H) 7.4 m(V),芯片尺寸為7.4mm 7.4mm,填充系�(shù)�20%,飽和信�(hào)�770mV。靈敏度�1090mV/Lx.s-1(無(wú)微透鏡),�(zhuǎn)換增益為30 V/e,動(dòng)�(tài)范圍�51dB,暗電流�1.5fA/像素�25℃時(shí)�,功耗為69mW,電源電壓為3.3V�
4 軌對(duì)軌CMOS-APS
美國(guó)Photo Vision Systems公司2002�4月開(kāi)�(fā)出一種高分辨率CMOS圖像傳感�,它具有830�(wàn)像素的分辨率�3840 2160),比高清晰度電視(HDTV)的分辨率高4倍,比標(biāo)�(zhǔn)電視的分辨率�32�。該器件適用于數(shù)字電視,演播室廣�,安�/生物�(cè)定學(xué)、科�(xué)分析和工�(yè)�(jiān)視等�(yīng)用場(chǎng)�。這種超高清晰度電視彩色攝像機(jī)可以30幀每秒的速度拍攝2500�(wàn)像素的圖像(漸�(jìn)或隔行掃描)。同�,IBM公司也將這種傳感器集成到一種具�9.2兆像�22.2英寸大小的液晶顯示器�。該傳感器使用了Photon Vision Systems公司的CMOS有源像素圖像傳感器技�(shù),從而使該傳感器的分辨率指標(biāo)�(dá)到甚至超�(guò)CCD圖像傳感��
5 單斜率模式CMOS-APS
美國(guó)Photon Vision Systems公司采用常規(guī)SOI(silicon-on-insulator)CMOS工藝研制成功了單斜率模式CMOS-APS。像�?cái)?shù)�64 64;像素尺寸為20 m(H) 15 m(V);填充系�(shù)�50%;芯片尺寸為2mm 2mm;幀速為60幀/秒。該器件的單�(gè)像素由源跟隨�、行選擇晶體管n+-P二極管和�(fù)位晶體管等組成。另外我�(guó)香港科技大學(xué)采用2 mSOI CMOS工藝�(kāi)�(fā)出了低壓混合�/SOI CMOS有源像素傳感�,在1.2V VDD工作�(shí),暗電流小于50nA/cm2;二極管響應(yīng)率為500mA/W;轉(zhuǎn)換增益為1 V/e-;輸出擺幅大�0.5V;動(dòng)�(tài)范圍�74dB。采用常�(guī)SOI CMOS工藝制備CMOS有源像素傳感器(CMOS-APS�,是CMOS-APS制備工藝的發(fā)展方向。因?yàn)椴捎迷摴に嚾菀撰@得低電壓、微功耗的CMOS-APS。因�,混合體(hybrid bulk�/SOI CMOS-APS技�(shù)是很有吸引力的。使用SOI CMOS工藝是未�(lái)制作CMOS圖像傳感器的理想工藝�
6 CMOS�(shù)字像素傳感器
CMOS圖像傳感器的�(fā)展至今有三大�(lèi),即CMOS-PPS、CMOS-APS、和CMOS-DPS(Digital Pixel sensor�,而CMOS-DPS是最近兩年才�(kāi)�(fā)出來(lái)的�2001�12月Kodak、cadak、Hewlett-packard、Agilent Technolgies和Stanford大學(xué)和California大學(xué)等采用標(biāo)�(zhǔn)�(shù)字式0.18 m CMOS工藝�(kāi)�(fā)成功了高幀�(10000幀/�)CMOS�(shù)字像素傳感器。其性能參數(shù)為:像素?cái)?shù)�352 288;芯片尺寸為5mm 5mm;晶體管�(shù)�380�(wàn)�(gè);讀出結(jié)�(gòu)�64bit�167MHz�;輸出數(shù)�(jù)速率大于1.33GB/s;連續(xù)幀速大�10000幀/秒;連續(xù)像素速率大于1Gpixels/s;像素尺寸為9.4 m(H) 9.4 m(V);光電探�(cè)器類(lèi)型為n MOS光電柵;每�(gè)像素的晶體管�(shù)�37;該器件的單�(gè)像素由光電二極管,模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換(ADC�、數(shù)字存�(chǔ)器和相關(guān)雙取樣(CDS)電路等組成�
CMOS-DPS不像CMOS-PPS和CMOS-APS的模/�(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換是在像素外�(jìn)�,而是將模/�(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換集成在每一�(gè)像素單元里,每一像素單元輸出的是�(shù)字信�(hào),該器件的優(yōu)�(diǎn)是高速數(shù)字讀�,無(wú)列讀出噪聲或固定圖形噪聲,工作速度更快,功耗更低�
7 寬動(dòng)�(tài)范圍圖像傳感�
繼CMOS-PPS、CMOS-APS和CMOS-DPS�(fā)展之后,德國(guó)西根大學(xué)半導(dǎo)體電子學(xué)研究所采用0.7 m CMOS工藝、PECVD超高真空系統(tǒng)以及�(zhuān)用集成電路(ASIC)薄膜技�(shù);設(shè)�(jì)和制造了寬動(dòng)�(tài)范圍圖像傳感�。該器件由兩部分組成:即PECVD氫化非晶硅(a-Si:H)薄膜是在超高真空中制成�,而ASIC使用�(biāo)�(zhǔn)CMOS工藝制備。這是繼CMOS圖像傳感器問(wèn)世之�,同CMOS圖像傳感器一樣已�(jīng)引起人們的重視。薄膜專(zhuān)用集成電路(TFA)圖像傳感器由正面電極、a-Si:H、背面電�、絕緣層和專(zhuān)用集成電路等組成。像�?cái)?shù)�368 256�495 128�1024 108像元,像元尺寸分別為30 m 38 m�10 m 10 m、芯片尺寸分別為16.5mm 14.9mm�16.6mm 12.6mm,動(dòng)�(tài)范圍�60dB 125dB�
8 APD圖像傳感�
2001�,瑞士聯(lián)邦技�(shù)�(xué)院電子學(xué)�(shí)�(yàn)室的Alice Biber和Peter Seitz等人,采�1.2 m�(biāo)�(zhǔn)BiCMOS工藝研制成功了雪崩光電二極管圖像傳感器(APDIS�,每�(gè)像素由雪崩光電二極管(APD�、高壓穩(wěn)定電路和圖像讀出電子部件組�。與常規(guī)CMOS有源像素傳感器(CMOS-APS)比較,集成APD像素�(xiàn)存的反饋電阻將由反饋電容代替,放大器的熱噪聲為Vn,amp=30nV/Hz1/2,源跟隨器熱噪聲為Vn,sf=17nV/Hz1/2,C=200fF�(shí)�1fF=10-15F�,復(fù)位(KT/C)噪聲的�(jì)算值為144 V;增益為1�15�(shí),APD的噪聲(i n,APD)分別為3.2 10-33A2/Hz�14.4 10-27A2/Hz。每�(gè)球形�(jié)�(gòu)的APD的外部直徑為48 m,像�?cái)?shù)�12 24,芯片尺寸為2.4mm 2.4mm,總的像素尺寸為154 m 71.5 m。用該器件已組裝成了首臺(tái)APDIS攝像�(jī),拍攝出了清晰的黑白圖像�