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一、引言 70 年代初美國貝爾實驗室研制成功第一只電耦合器件（ CCD） ， 之后CCD技術發展迅速。CCD 圖像傳感器作為一種新型光電轉換器已被廣泛的應用于攝像、圖像采集、掃描儀以及工業測量等領域。隨著CCD 應用范圍的擴大， 其缺點逐漸暴露出來。為此， 人們又開發了另外幾種固體圖像傳感器技術。其中， 最引人注目、最有發展潛力的是CM OS 圖像傳感器， 它能獲得和CCD 產品相似的圖像質量， 且在功耗、集成度上都取得了很大突破。 二、CCD 結構及其特點 CCD 即電荷耦合器件， 是1 種高性能微型圖像傳感器。這種新型光電成像器件具有靈敏度高、光潛響應寬、集成度高、維護方便、成本低廉等一系列優點，在國防、公安、醫學、工業、醫學、生物、天文、地質、宇航等科學和技術各領域有著廣泛的應用， 是現代最重要的圖像傳感器之一。電荷耦合器件（ CCD） 的突出特點是以電荷為信號， 而不同于其它大多數器件是以電流或者電壓為信號。構成CCD 的基本單元是M OS（金屬- 氧化物- 半導體） 結構。CCD 的基本功能是電荷的存儲和電荷的轉移。工作時， 需要在金屬柵極加上一定的偏壓， 形成勢阱以容納電荷， 電荷的多少基本與光強成線性關系。電荷讀出時， 在一定相位關系的移位脈沖作用下， 從一個位置移動到下一個位置， 直到移出CCD， 經過電荷- 電壓變換， 轉換為模擬信號。由于CCD 每個像元的勢阱容納電荷的能力是有一定限制的， 如果光照太強， 一旦勢阱中被電荷填滿， 電子將產生“溢出”現象。另外，CCD 的電荷讀出時， 是從一個位置到下一個位置的電荷轉移過程， 存在電荷的轉移效率和轉移損失問題。CCD 圖像傳感器的結構和工作原理， 決定了這類器件有以下優點： 1 CCD 是一種固體化器件， 體積小、重量輕、可靠性高、壽命長； 2 圖像畸變小、尺寸重現性好； 3 具有較高的空間分辨率； 4 光敏元間距的幾何尺寸精度高，可獲得較高的定位精度和測量精度； 5 具有較高光電靈敏度和較大動態范圍。 三、CMOS 圖像傳感器結構 CM OS 圖像傳感器一般由光敏單元陣列、行選通邏輯、列選通邏輯、定時和控制電路， 及在片模擬信號處理器（ ASP） 構成。更高級的CM OS 圖像傳感器還集成有在片模數轉換器（ ADC）。該類器件采用單一的5V 電源。 行選通邏輯和列選通邏輯可以是移位寄存器， 或是譯碼器。定時和控制電路限制信號讀出模式、設定積分時間、控制數據輸出率等。在片模擬信號處理器完成信號積分、放大、取樣和保持、相關雙取樣、雙《 取樣等功能。在片模擬/數字轉換器是在片數字成像系統所必需的，CM OS 圖像傳感器可以是整個成像陣列有一個ADC 或幾個ADC （ 每個一種顏色） ， 也可以是成像陣列每列各有一個ADC.光敏單元將光信號轉換為電信號，經在片信號處理電路處理后， 以模擬或數字形式的信號輸出。 四、CMOS 與CCD 的比較 1 靈敏度比較 靈敏度代表傳感器的光敏單元收集光子產生電荷信號的能力。CCD 圖像傳感器靈敏度較CM OS 圖像傳感器高30% ~50% 。這主要因為CCD 像元耗盡區深度可達10mm，具有可見光及近紅外光譜段的完全收集能力。CM OS 圖像傳感器由于采用0.18~0.5mm 標準CM OS工藝， 由于采用低電阻率硅片須保持低工作電壓， 像元耗盡區深度只有1~2mm，其吸收截止波長小于650nm ，導致像元對紅光及近紅外光吸收困難。3.2電子- 電壓轉換率電子- 電壓轉換率表示每個信號電子轉換為電壓信號的大小。由于CM OS 圖像傳感器在像元中采用高增益低功耗互補放大器結構， 其電壓轉換率略優于CCD 圖像傳感器。CCD圖像傳感器要達到同樣的電壓轉換率需要付出進一步增大器件功耗的代價。 CCD 研制者正進一步研究新的讀出放大器結構以提高響應率。 2 響應速度 響應速度由于CCD 采用串行連續掃描的工作方式， 必須一次性的讀出整行或整列的像素數據。而COM S 由于采用單點信號傳輸， 通過簡單的X-Y 尋址技術， 允許從整個排列， 部分甚至單元來讀出數據， 從而提高尋址速度， 實現更快的信號傳輸。 3 噪聲比較 CCD 的特色在于從充分保持信號在傳輸是不失真（ 有專屬通道設計） 。透過每一個像素集合至單一放大器上做統一處理。可以保持資料的完整性。相對地， CM OS 的設計中每個像素旁就直接連著ADC （ 放大兼模擬/數字信號轉換器） ， 沒有專署通道設計。因此必須先放大再整合各個像素的資料。所以CM OS計算出的早點要比CCD 多， 這將會影響到圖像品質。 4 成本比較 由于CM OS 傳感器采用半導體電路最常用的CMOS 工藝， 可以輕易的將。 周邊的電路（ 如AGC、DDS、時鐘、DSP等） 集成到傳感器芯片中， 因此可以節省外圍芯片的成本； 而CCD 傳感器采用電荷傳遞方式傳送數據。其中有一個像素不能運行。將會導致一整排的數據不能傳送。控制CCD 傳感器的成品率會比CM OS 傳感器難的多。因此， CCD 傳感器的成本要高于CM OS. 因此總的說CCD 和CM OS 比較， 雖然CCD 傳感器和CM OS 傳感器都是上世紀70 年代開始研制， 但由于CCD 傳感器靈敏度高、噪聲低而成為圖像傳感器的主流。互補金屬氧化物（CM OS）圖像傳感器由于工藝上的原因， 一直沒擺脫光照靈敏度低、噪聲降不下來和圖像分辨率低等缺點而得不到重視和發展。 CCD 圖像傳感器也由于敏感元件和信號處理電路不能集成在同一芯片上而使CCD 攝像機/照相機體積大、功耗大。 CM OS 傳感器卻有集成度高、功耗小和造價低等優點， 如果CM OS 圖像傳感器能克服以上缺點而保持原有的優點， 就比CCD 傳感器的應用更有優勢。由于集成電路設計技術和工藝水平的提高，CM OS 圖像傳感器過去存在的缺點， 現在都可以找到辦法克服， 而且它固有的優點更是CCD 器件所無法比擬的， 因而它再次成為研究的熱點。CCD 傳感器需要多個不同電壓來使它工作， 而CM OS傳感器只需單電壓工作， 這也是它相比CCD 傳感器另一個極大的優點。CCD 傳感器需要在外部配接放大器、模數轉換器、時序電路等等， 造成體積龐大， 讀出速度受到限制。而CM OS 圖像傳感器卻相當一個完整的圖像系統。一個典型的CM OS 圖像傳感器通常包含： 一個圖像傳感器核心， 這與CCD 圖像傳感器相似， 所有的時序邏輯電路、單一時鐘及芯片內的可編程功能， 比如增益調節、積分時間、窗口和模數轉換器。與傳統的CCD 圖像系統相比， 把整個圖像系統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點。 五、發展現狀 當前，CM OS 圖像傳感器主要朝著高分辨率、高動態范圍、高敏度、超微型化、數字化、多功能化的方向展。1996 年就有采用0.5m CM OS 工藝開發出2048×2048 陣列的CM OS 圖像傳感器的報道。當采用0.25mCM OS 工藝時，相信將生產出陣列更高的傳感器通過采用新工藝和改善相關雙采樣電路能有效降低固定模式噪聲，減小暗電流；通過采用棱鏡可使填充系數超70% ; 通過在像素單元下面使用一層摻雜層可使填充系數達到100% 。一種階躍的復位柵電壓技術能將APSCM OS 圖像傳感器的動態范圍提高90dB; 采用ASIC技術的薄膜圖像傳感器允許增強局部像元對比度， 可使動態范圍達到120dB. 再考慮到CM OS圖像傳感器具有體積小、功耗低、高集度、新型USB 計算機接口及紅外接口技術這些突出的優點， 相信一個嶄新的數字圖像技術時代即將來臨。 |
