圖像傳感器

圖像傳感器的寫(xiě)法

圖像傳感器介紹

圖像傳感器屬于光電產(chǎn)業(yè)里的光電元件類(lèi)，隨著數(shù)碼技術(shù)、半導(dǎo)體制造技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)的迅速發(fā)展，目前市場(chǎng)和業(yè)界都面臨著跨越各平臺(tái)的視訊、影音、通訊大整合時(shí)代的到來(lái)，勾劃著未來(lái)人類(lèi)的日常生活的美景。以其在日常生活中的應(yīng)用，無(wú)疑要屬數(shù)碼相機(jī)產(chǎn)品，其發(fā)展速度可以用日新月異來(lái)形容。短短的幾年，數(shù)碼相機(jī)就由幾十萬(wàn)像素，發(fā)展到４００、５００萬(wàn)像素甚至更高。不僅在發(fā)達(dá)的歐美國(guó)家，數(shù)碼相機(jī)已經(jīng)占有很大的市場(chǎng)，就是在發(fā)展中的中國(guó)，數(shù)碼相機(jī)的市場(chǎng)也在以驚人的速度在增長(zhǎng)，因此，其關(guān)鍵零部件——圖像傳感器產(chǎn)品就成為當(dāng)前以及未來(lái)業(yè)界關(guān)注的對(duì)象，吸引著眾多廠(chǎng)商投入。以產(chǎn)品類(lèi)別區(qū)分，圖像傳感器產(chǎn)品主要分為ＣＣＤ、ＣＭＯＳ以及ＣＩＳ傳感器三種。

發(fā)展及應(yīng)用

可視信息日趨重要,隨著多媒體系統(tǒng)的發(fā)展,圖像傳感器成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。眼睛是人類(lèi)和動(dòng)物的圖像接收器,而圖像傳感器則是電子設(shè)備的圖像接收器。圖像傳感器有兩種：線(xiàn)型圖像傳感器一般用在傳真機(jī)及掃描儀之類(lèi)的產(chǎn)品中;面型圖像傳感器則廣泛地用于攝錄像機(jī),安全保衛(wèi)照相機(jī)、數(shù)碼相機(jī)及計(jì)算機(jī)照相機(jī),并開(kāi)始用于傳統(tǒng)上的非視像產(chǎn)品,如移動(dòng)電話(huà)、個(gè)人數(shù)字助理(PDA)等。

面型圖像傳感器中有CCD和CMOS兩種模式。通常,傳送優(yōu)良圖像質(zhì)量的設(shè)備都采用CCD圖像傳感器,而注重功耗和成本的產(chǎn)品則選擇CMOS圖像傳感器。但新的技術(shù)正在克服每種器體固有的弱點(diǎn),同時(shí)保留了適合于特定用途的某些特性。目前兩種圖像傳感器仍隨著信息、通信、互聯(lián)網(wǎng)及便攜式電子設(shè)備的發(fā)展而發(fā)展。比如,圖像傳感器在移動(dòng)電話(huà)以及攝錄像機(jī)和數(shù)碼相機(jī)方面都面對(duì)著一個(gè)急速成長(zhǎng)的市場(chǎng)。歐洲、韓國(guó)及日本制造商卻關(guān)注著帶內(nèi)置照相機(jī)的移動(dòng)電話(huà),它將給圖像接收設(shè)備創(chuàng)造一個(gè)不斷成長(zhǎng)的市場(chǎng)。

CCD圖像傳感器由在單晶硅基片上呈二維排列的光電二極管及其傳送電路構(gòu)成。光電二極管把光轉(zhuǎn)換成電荷,再經(jīng)轉(zhuǎn)換電路傳送和輸出。

CCD圖像傳感器按其傳送方法分為兩類(lèi)(圖1)。行間傳送(IT)型幾乎每一像素都有移位寄存器,并把來(lái)自光電二極管的圖像值送到移位寄存器。CCD用微鏡覆蓋,以改善占空因素。在幀行間傳送(FIT)CCD(有人稱(chēng)之為全幀傳送CCD)中,CCD把整整一幀的圖像數(shù)據(jù)送入串行移位寄存器,由它進(jìn)行未加工原始圖像的處理。此外,該系統(tǒng)還把電荷迅速傳送進(jìn)儲(chǔ)能器,供橫向寄存器進(jìn)行電荷的連續(xù)輸出。三洋電子及Philips消費(fèi)電子公司是兩家FIT系統(tǒng)應(yīng)用到CCD圖像傳感器的制造商。

通常光電二級(jí)管均勻排列成矩形點(diǎn)陣,但某些制造商已開(kāi)發(fā)出了不同的設(shè)計(jì)。幾年前,日本富士照相膠卷公司與富士膠卷微器件公司共同開(kāi)發(fā)了SuperCCD蜂房傳感器技術(shù)。這種結(jié)構(gòu)不是傳統(tǒng)的縱橫向排列,而采用了錯(cuò)列方式,既提高了空間使用率和像素密集度,又符合人類(lèi)視覺(jué)的特點(diǎn)。富士膠卷在其數(shù)碼相機(jī)上采用這一結(jié)構(gòu),獲得了優(yōu)良的圖像質(zhì)量。今年初公司推出了供數(shù)碼相機(jī)用的質(zhì)量更高的超級(jí)CCD蜂房傳感器,獨(dú)具橫向與縱向像素的混合功能,并有信號(hào)處理能力,使靈敏度達(dá)到ISO1600級(jí)。因此,該傳感器能以30fps速率攝錄VGA移動(dòng)圖像,還能在各種場(chǎng)合包括暗處捕捉圖像。

采用FIT圖像傳感器的三洋公司,設(shè)計(jì)了CCD傳感器用芯片級(jí)封裝(CSP),是最早采用CSP的產(chǎn)品之一。它在2片玻璃板之間夾著CCD基片,并在后續(xù)級(jí)上備有信號(hào)處理LSI(大規(guī)模IC)。攝錄時(shí)鐘與輸出電路的功耗從5V降為2.8V,從而CCD圖像傳感器的功耗可與CMOS圖像傳感器相當(dāng)。公司正把這種CCD傳感器用到電池工作的移動(dòng)電話(huà)中。公司還提供傳輸速度15fps以下5mW的單獨(dú)CCD傳感器樣品。

CMOS圖像傳感器

CMOS傳感器采用與存儲(chǔ)器及邏輯IC同樣的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)工藝。傳統(tǒng)上,CMOS傳感器的靈敏度較低,在燈光暗淡場(chǎng)合轉(zhuǎn)發(fā)的圖像質(zhì)量不佳。因此,即使CMOS傳感器的靈敏度較低,且可運(yùn)用單一電源,但在大批量產(chǎn)品中的應(yīng)用依然落在了CCD圖像傳感器的后面。

今天情況正在發(fā)生變化。CMOS圖像傳感器除了在移動(dòng)終端及電子手持或圖像設(shè)備應(yīng)用時(shí)具有低功耗優(yōu)勢(shì),之外,其靈敏度也取得了新的進(jìn)展。移動(dòng)電話(huà)極大的市場(chǎng)潛力,促使許多公司跨入CMOS圖像傳感器領(lǐng)域。夏普是首先進(jìn)入的公司之一,它為日本移動(dòng)服務(wù)提供商J-Phone開(kāi)發(fā)了一種內(nèi)置照相機(jī)的移動(dòng)電話(huà)機(jī)。該產(chǎn)品獲得巨大成功,為其他同類(lèi)制造商鋪平了發(fā)展道路。

器件的圖像質(zhì)量通過(guò)工藝與電路技術(shù)進(jìn)步而大獲改善,在照相機(jī)亮度方面的靈敏度尤有改進(jìn)。東芝公司年初推出了一種VGA級(jí)傳感器TCM5063T和CIF傳感器TCM5073T,在黑暗處攝錄較之普通產(chǎn)品,其輸出電壓只及三分之一,靈敏度高一倍,照明亮度只要3勒克斯。它采用的是新開(kāi)發(fā)的低漏泄電源光電二極管。

像CCD傳感器一樣,封裝技術(shù)是CMOS傳感器面臨的一大問(wèn)題,問(wèn)題在于如何縮小包括信號(hào)處理LSI在內(nèi)的照相機(jī)模塊尺寸。富士通公司為此開(kāi)發(fā)成功一種CMOS傳感器模塊尺寸為7.80×6.98×4.98mm,體積0.27cc。這種單芯片產(chǎn)品采用了公司自己的凸點(diǎn)芯片載體(BCC-BumpChipCarrier)封裝,這是一種無(wú)引線(xiàn)模壓線(xiàn)鍵合的芯片規(guī)模封裝,采用樹(shù)脂凸點(diǎn)。不久,公司還將推出另一類(lèi)傳感器模塊系列,采用更低漏泄電流的改進(jìn)工藝技術(shù)。

圖像傳感器市場(chǎng)

隨著技術(shù)和應(yīng)用的迅速發(fā)展,中國(guó)臺(tái)灣、韓國(guó)、美國(guó)及其他地區(qū)的半導(dǎo)體制造商也開(kāi)始進(jìn)入CMOS圖像傳感器市場(chǎng)。中國(guó)臺(tái)灣和韓國(guó)公司都正加強(qiáng)其CMOS傳感器業(yè)務(wù)活動(dòng),臺(tái)灣的ICMedia公司已開(kāi)發(fā)出了一種4勒克斯亮度模塊,并積極開(kāi)拓移動(dòng)電話(huà)、PDA、數(shù)碼相機(jī)及其它增長(zhǎng)市場(chǎng)。韓國(guó)三星電子公司也把其CMOS傳感器業(yè)務(wù)看作支柱產(chǎn)品,正大力招徠日本移動(dòng)電話(huà)制造商。與此同時(shí),日本SeikoEpson公司則得到了Innotech公司關(guān)于閾值電壓調(diào)制圖像傳感器(VMIS-VoltageModulationImageSensor)的授權(quán)。VMIS是一種固體傳感器,它把CMOS工藝與相當(dāng)于CCD器件的圖像質(zhì)量結(jié)合一起,通過(guò)最有效地把光電二極管電荷轉(zhuǎn)換成電荷而達(dá)到優(yōu)質(zhì)圖像質(zhì)量。

過(guò)去大多數(shù)面型圖像傳感器(CCD都用作攝錄機(jī)、汽車(chē)監(jiān)視系統(tǒng)及其他自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備(即所謂“電眼”)。然而,當(dāng)90年代中期CasioComputer公司推出QV10數(shù)碼相機(jī)后,開(kāi)辟了一個(gè)嶄新市場(chǎng),圖像傳感器市場(chǎng)正隨著數(shù)碼相機(jī)工業(yè)的迅速增長(zhǎng)而急劇擴(kuò)大(參見(jiàn)圖2)。

許多業(yè)界人士預(yù)料,今年全球數(shù)碼相機(jī)市場(chǎng)即將突破2000萬(wàn)臺(tái),成為超過(guò)攝錄機(jī)的主要市場(chǎng)。

數(shù)碼相機(jī)技術(shù)經(jīng)過(guò)100萬(wàn)像素的機(jī)型到200萬(wàn)像素稍后達(dá)到了400萬(wàn)像素,今天的機(jī)型更高達(dá)500萬(wàn)像素,在理論上其圖像質(zhì)量已能與膠卷相機(jī)媲美。不過(guò)現(xiàn)在主流產(chǎn)品大多還是200萬(wàn)像素左右的照相機(jī)。一些制造商正擴(kuò)充機(jī)型,以求大量銷(xiāo)售;此外,一些開(kāi)發(fā)商仍繼續(xù)在像素密度上努力。

數(shù)碼相機(jī)市場(chǎng)的特征是地區(qū)和主題的競(jìng)爭(zhēng),除EastmanKodak公司外,數(shù)碼相機(jī)的早期開(kāi)發(fā)商和制造商大多為日本公司,它們的產(chǎn)品行銷(xiāo)全球。然而近來(lái)中國(guó)臺(tái)灣制造商也正全力搶入這一市場(chǎng)。

除了公司之間的競(jìng)爭(zhēng)外,還有各種產(chǎn)品之間的競(jìng)爭(zhēng),眼下,CMOS圖像傳感器正在爭(zhēng)奪CCD早已確立的地位,這一走勢(shì)始于夏普推出的SH-04模塊。CMOS器件小巧省電,對(duì)移動(dòng)式互聯(lián)網(wǎng)終端的開(kāi)發(fā)商與制造商極具吸引力。

競(jìng)爭(zhēng)的加劇,也迫使CCD制造商加緊了對(duì)產(chǎn)品的改進(jìn)。一些著眼于移動(dòng)電話(huà)市場(chǎng)的制造商正競(jìng)相開(kāi)發(fā)小型低功耗CCD照相機(jī)模塊,另一些則關(guān)注CCD傳感器的超級(jí)圖像質(zhì)量。三洋公司開(kāi)發(fā)的超小型CCD照相機(jī)模塊,生產(chǎn)能力已達(dá)50萬(wàn)塊,不久將上升到150萬(wàn)塊。富士照相機(jī)膠卷公司開(kāi)發(fā)的SuperCCDHoneycomb除供自己的數(shù)碼相機(jī)用外,還打算進(jìn)入移動(dòng)電話(huà)市場(chǎng),前景可觀。

CahnersIn-statGroup的調(diào)查表明,2003年后,業(yè)界可望從內(nèi)置相機(jī)的移動(dòng)電話(huà)大量上市而獲得豐厚的利潤(rùn)。日本市場(chǎng)分析家認(rèn)為,2003年帶內(nèi)置相機(jī)的移動(dòng)電話(huà)將占全球市場(chǎng)的10[%],2004年將上升到占20[%]。

總之,數(shù)碼相機(jī)用圖像傳感器今年可望突破2000萬(wàn)個(gè),明年接近3000萬(wàn)個(gè),2004年將增加到了500萬(wàn)個(gè)左右。移動(dòng)電話(huà)用圖像傳感器發(fā)展最快,明年接近2000萬(wàn)個(gè),2004年可望達(dá)6000萬(wàn)個(gè)。此外,2004年計(jì)算機(jī)照相機(jī)用圖像傳感器預(yù)計(jì)可達(dá)3500萬(wàn)個(gè),數(shù)字?jǐn)z錄機(jī)用的1280萬(wàn)個(gè),PDA和手持計(jì)算機(jī)用的580萬(wàn)個(gè),汽車(chē)用的530萬(wàn)個(gè)。

CMOS/CCD工作原理

無(wú)論是CCD還是CMOS，它們都采用感光元件作為影像捕獲的基本手段，CCD/CMOS感光元件的核心都是一個(gè)感光二極管（photodiode），該二極管在接受光線(xiàn)照射之后能夠產(chǎn)生輸出電流，而電流的強(qiáng)度則與光照的強(qiáng)度對(duì)應(yīng)。但在周邊組成上，CCD的感光元件與CMOS的感光元件并不相同，前者的感光元件除了感光二極管之外，包括一個(gè)用于控制相鄰電荷的存儲(chǔ)單元，感光二極管占據(jù)了絕大多數(shù)面積—換一種說(shuō)法就是，CCD感光元件中的有效感光面積較大，在同等條件下可接收到較強(qiáng)的光信號(hào)，對(duì)應(yīng)的輸出電信號(hào)也更明晰。而CMOS感光元件的構(gòu)成就比較復(fù)雜，除處于核心地位的感光二極管之外，它還包括放大器與模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，每個(gè)像點(diǎn)的構(gòu)成為一個(gè)感光二極管和三顆晶體管，而感光二極管占據(jù)的面積只是整個(gè)元件的一小部分，造成CMOS傳感器的開(kāi)口率遠(yuǎn)低于CCD（開(kāi)口率：有效感光區(qū)域與整個(gè)感光元件的面積比值）；這樣在接受同等光照及元件大小相同的情況下，CMOS感光元件所能捕捉到的光信號(hào)就明顯小于CCD元件，靈敏度較低；體現(xiàn)在輸出結(jié)果上，就是CMOS傳感器捕捉到的圖像內(nèi)容不如CCD傳感器來(lái)得豐富，圖像細(xì)節(jié)丟失情況嚴(yán)重且噪聲明顯，這也是早期CMOS傳感器只能用于低端場(chǎng)合的一大原因。CMOS開(kāi)口率低造成的另一個(gè)麻煩在于，它的像素點(diǎn)密度無(wú)法做到媲美CCD的地步，因?yàn)殡S著密度的提高，感光元件的比重面積將因此縮小，而CMOS開(kāi)口率太低，有效感光區(qū)域小得可憐，圖像細(xì)節(jié)丟失情況會(huì)愈為嚴(yán)重。因此在傳感器尺寸相同的前提下，CCD的像素規(guī)?？偸歉哂谕瑫r(shí)期的CMOS傳感器，這也是CMOS長(zhǎng)期以來(lái)都未能進(jìn)入主流數(shù)碼相機(jī)市場(chǎng)的重要原因之一。

每個(gè)感光元件對(duì)應(yīng)圖像傳感器中的一個(gè)像點(diǎn)，由于感光元件只能感應(yīng)光的強(qiáng)度，無(wú)法捕獲色彩信息，因此必須在感光元件上方覆蓋彩色濾光片。在這方面，不同的傳感器廠(chǎng)商有不同的解決方案，最常用的做法是覆蓋RGB紅綠藍(lán)三色濾光片，以1：2：1的構(gòu)成由四個(gè)像點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)彩色像素（即紅藍(lán)濾光片分別覆蓋一個(gè)像點(diǎn)，剩下的兩個(gè)像點(diǎn)都覆蓋綠色濾光片），采取這種比例的原因是人眼對(duì)綠色較為敏感。而索尼的四色CCD技術(shù)則將其中的一個(gè)綠色濾光片換為翡翠綠色（英文Emerald，有些媒體稱(chēng)為E通道），由此組成新的R、G、B、E四色方案。不管是哪一種技術(shù)方案，都要四個(gè)像點(diǎn)才能夠構(gòu)成一個(gè)彩色像素，這一點(diǎn)大家務(wù)必要預(yù)先明確。

在接受光照之后，感光元件產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的電流，電流大小與光強(qiáng)對(duì)應(yīng)，因此感光元件直接輸出的電信號(hào)是模擬的。在CCD傳感器中，每一個(gè)感光元件都不對(duì)此作進(jìn)一步的處理，而是將它直接輸出到下一個(gè)感光元件的存儲(chǔ)單元，結(jié)合該元件生成的模擬信號(hào)后再輸出給第三個(gè)感光元件，依次類(lèi)推，直到結(jié)合一個(gè)感光元件的信號(hào)才能形成統(tǒng)一的輸出。由于感光元件生成的電信號(hào)實(shí)在太微弱了，無(wú)法直接進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換工作，因此這些輸出數(shù)據(jù)必須做統(tǒng)一的放大處理—這項(xiàng)任務(wù)是由CCD傳感器中的放大器專(zhuān)門(mén)負(fù)責(zé)，經(jīng)放大器處理之后，每個(gè)像點(diǎn)的電信號(hào)強(qiáng)度都獲得同樣幅度的增大；但由于CCD本身無(wú)法將模擬信號(hào)直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，因此還需要一個(gè)專(zhuān)門(mén)的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行處理，最終以二進(jìn)制數(shù)字圖像矩陣的形式輸出給專(zhuān)門(mén)的DSP處理芯片。而對(duì)于CMOS傳感器，上述工作流程就完全不適用了。CMOS傳感器中每一個(gè)感光元件都直接整合了放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換邏輯，當(dāng)感光二極管接受光照、產(chǎn)生模擬的電信號(hào)之后，電信號(hào)首先被該感光元件中的放大器放大，然后直接轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)。換句話(huà)說(shuō)，在CMOS傳感器中，每一個(gè)感光元件都可產(chǎn)生最終的數(shù)字輸出，所得數(shù)字信號(hào)合并之后被直接送交DSP芯片處理—問(wèn)題恰恰是發(fā)生在這里，CMOS感光元件中的放大器屬于模擬器件，無(wú)法保證每個(gè)像點(diǎn)的放大率都保持嚴(yán)格一致，致使放大后的圖像數(shù)據(jù)無(wú)法代表拍攝物體的原貌—體現(xiàn)在最終的輸出結(jié)果上，就是圖像中出現(xiàn)大量的噪聲，品質(zhì)明顯低于CCD傳感器。

CCD尺寸

說(shuō)到CCD的尺寸，其實(shí)是說(shuō)感光器件的面積大小，這里就包括了CCD和CMOS。感光器件的面積越大，也即CCD/CMOS面積越大，捕獲的光子越多，感光性能越好，信噪比越低。CCD/CMOS是數(shù)碼相機(jī)用來(lái)感光成像的部件，相當(dāng)于光學(xué)傳統(tǒng)相機(jī)中的膠卷。

CCD上感光組件的表面具有儲(chǔ)存電荷的能力，并以矩陣的方式排列。當(dāng)其表面感受到光線(xiàn)時(shí)，會(huì)將電荷反應(yīng)在組件上，整個(gè)CCD上的所有感光組件所產(chǎn)生的信號(hào)，就構(gòu)成了一個(gè)完整的畫(huà)面。

如果分解CCD，你會(huì)發(fā)現(xiàn)CCD的結(jié)構(gòu)為三層，層是“微型鏡頭”，第二層是“分色濾色片”以及第三層“感光層”。

層“微型鏡頭”

我們知道，數(shù)碼相機(jī)成像的關(guān)鍵是在于其感光層，為了擴(kuò)展CCD的采光率，必須擴(kuò)展單一像素的受光面積。但是提高采光率的辦法也容易使畫(huà)質(zhì)下降。這一層“微型鏡頭”就等于在感光層前面加上一副眼鏡。因此感光面積不再因?yàn)閭鞲衅鞯拈_(kāi)口面積而決定，而改由微型鏡片的表面積來(lái)決定。

第二層是“分色濾色片”

CCD的第二層是“分色濾色片”，目前有兩種分色方式，一是RGB原色分色法，另一個(gè)則是CMYK補(bǔ)色分色法這兩種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。首先，我們先了解一下兩種分色法的概念，RGB即三原色分色法，幾乎所有人類(lèi)眼鏡可以識(shí)別的顏色，都可以通過(guò)紅、綠和藍(lán)來(lái)組成，而RGB三個(gè)字母分別就是Red,Green和Blue，這說(shuō)明RGB分色法是通過(guò)這三個(gè)通道的顏色調(diào)節(jié)而成。再說(shuō)CMYK，這是由四個(gè)通道的顏色配合而成，他們分別是青（C）、洋紅(M)、黃(Y)、黑(K)。在印刷業(yè)中，CMYK更為適用，但其調(diào)節(jié)出來(lái)的顏色不及RGB的多。

原色CCD的優(yōu)勢(shì)在于畫(huà)質(zhì)銳利，色彩真實(shí)，但缺點(diǎn)則是噪聲問(wèn)題。因此，大家可以注意，一般采用原色CCD的數(shù)碼相機(jī)，在ISO感光度上多半不會(huì)超過(guò)400。相對(duì)的，補(bǔ)色CCD多了一個(gè)Y黃色濾色器，在色彩的分辨上比較仔細(xì)，但卻犧牲了部分影像的分辨率，而在ISO值上，補(bǔ)色CCD可以容忍較高的感光度，一般都可設(shè)定在800以上

第三層：感光層

CCD的第三層是“感光片”，這層主要是負(fù)責(zé)將穿過(guò)濾色層的光源轉(zhuǎn)換成電子信號(hào)，并將信號(hào)傳送到影像處理芯片，將影像還原。

傳統(tǒng)的照相機(jī)膠卷尺寸為35mm，35mm為膠卷的寬度（包括齒孔部分），35mm膠卷的感光面積為36x24mm。換算到數(shù)碼相機(jī)，對(duì)角長(zhǎng)度約接近35mm的，CCD/CMOS尺寸越大。在單反數(shù)碼相機(jī)中，很多都擁有接近35mm的CCD/CMOS尺寸，例如尼康德D100，CCD/CMOS尺寸面積達(dá)到23.7x15.6，比起消費(fèi)級(jí)數(shù)碼相機(jī)要大很多，而佳能的EOS-1Ds的CMOS尺寸為36x24mm，達(dá)到了35mm的面積，所以成像也相對(duì)較好。

現(xiàn)在市面上的消費(fèi)級(jí)數(shù)碼相機(jī)主要有2/3英寸、1/1.8英寸、1/2.7英寸、1/3.2英寸四種。CCD/CMOS尺寸越大，感光面積越大，成像效果越好。1/1.8英寸的300萬(wàn)像素相機(jī)效果通常好于1/2.7英寸的400萬(wàn)像素相機(jī)(后者的感光面積只有前者的55[%])。而相同尺寸的CCD/CMOS像素增加固然是件好事，但這也會(huì)導(dǎo)致單個(gè)像素的感光面積縮小，有曝光不足的可能。但如果在增加CCD/CMOS像素的同時(shí)想維持現(xiàn)有的圖像質(zhì)量，就必須在至少維持單個(gè)像素面積不減小的基礎(chǔ)上增大CCD/CMOS的總面積。目前更大尺寸CCD/CMOS加工制造比較困難，成本也非常高。因此，CCD/CMOS尺寸較大的數(shù)碼相機(jī)，價(jià)格也較高。感光器件的大小直接影響數(shù)碼相機(jī)的體積重量。超薄、超輕的數(shù)碼相機(jī)一般CCD/CMOS尺寸也小，而越的數(shù)碼相機(jī)，CCD/CMOS尺寸也越大。

新型CMOS原理及設(shè)計(jì)

金屬氧化物半導(dǎo)體元件(ComplementaryMetal-OxideSemiconductor，CMOS)圖像傳感器和電荷耦合元件(ChargeCoupledDevice，CCD)攝像器件在20年前幾乎是同時(shí)起步的。CCD是應(yīng)用在攝影攝像方面的高端技術(shù)元件，CMOS則應(yīng)用于較低影像品質(zhì)的產(chǎn)品中。

由于CCD器件有光照靈敏度高、噪音低、像素小等優(yōu)點(diǎn)，所以在過(guò)去15年里它一直主宰著圖像傳感器市場(chǎng)。與之相反，CMOS圖像傳感器過(guò)去存在著像素大，信噪比小，分辨率低這些缺點(diǎn)，一直無(wú)法和CCD技術(shù)抗衡。但是隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的不斷發(fā)展，過(guò)去CMOS圖像傳感器制造工藝中不易解決的技術(shù)難關(guān)現(xiàn)已都能找到相應(yīng)解決的途徑，從而大大改善了CMOS圖像傳感器的圖像質(zhì)量。

1CMOS有源像素傳感器

近來(lái)CMOS圖像傳感器受到重視首要原因在于過(guò)去大大低于CCD的靈敏度問(wèn)題逐步得到解決。因?yàn)榕cCCD相比，CMOS傳感器具有更好的量產(chǎn)性，而且容易實(shí)現(xiàn)包括其他邏輯電路在內(nèi)的SoC(SystemonChip)產(chǎn)品，而這在CCD中卻很難實(shí)現(xiàn)。尤其是CMoS傳感器不像CCD那樣需要特殊的制造工藝，因此可直接使用面向DRAM等大批量產(chǎn)品的生產(chǎn)設(shè)備。這樣一來(lái)，CMOS圖像傳感器就有可能形成完全不同于CCD圖像傳感器的成本結(jié)構(gòu)。

圖1示出了有源像素CMOS圖像傳感器(ActivePixelSensor，APS)的功能結(jié)構(gòu)圖，其中成像部分為光敏二極管陣列(PhotoDiodeArray)。

四場(chǎng)效應(yīng)管(4T)有源像素CMOS圖像傳感器的每個(gè)像素由光敏二極管、復(fù)位管T2、轉(zhuǎn)移管T1、源跟隨器T3和行選通開(kāi)關(guān)管T4組成，如圖2所示。

轉(zhuǎn)移管T1被用來(lái)將光敏二極管連接至源跟隨器T3，并通過(guò)復(fù)位管T2與VDD相連。T3的柵極與T1和T2之間的N+擴(kuò)散區(qū)相連。與3T結(jié)構(gòu)的APS相比，減少了與T3的柵極相關(guān)的漏電流效應(yīng)。源跟隨器T3的作用是實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的放大和緩沖，改善APS的噪聲問(wèn)題。T4是用來(lái)將信號(hào)與列總線(xiàn)相連。其工作過(guò)程是：首先進(jìn)入“復(fù)位狀態(tài)”，T2打開(kāi)，對(duì)光敏二極管復(fù)位；然后進(jìn)入“取樣狀態(tài)”，T2關(guān)閉，光照射到光敏二極管上產(chǎn)生光生載流子，并通過(guò)源跟隨器T3放大輸出；進(jìn)入“讀出狀態(tài)”，這時(shí)行選通管T4打開(kāi)，信號(hào)通過(guò)列總線(xiàn)輸出。

APS具有低讀出噪聲和高讀出速率等優(yōu)點(diǎn)，但像素單元結(jié)構(gòu)復(fù)雜，填充系數(shù)降低，填充系數(shù)一般只有20％～30％。為了提高像素的填充系數(shù)，APS在像素的上方設(shè)置了微透鏡(Micro-lenses)，如圖3所示。

由APS陣列所獲得的圖像信息，經(jīng)過(guò)圖1中列模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ColumnADC)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后，再經(jīng)過(guò)一系列的后續(xù)處理過(guò)程，得到輸出如圖4所示的幀圖像數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

2圖像的預(yù)處理過(guò)程及方法

為了得到良好的圖像質(zhì)量，需要對(duì)所采集的原始圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。一般上，圖像的預(yù)處理是在協(xié)處理器中完成的。最近，隨著SoC技術(shù)的發(fā)展，可以在CMOS傳感器中集成圖像預(yù)處理功能．這正顯示了CMOS圖像傳感器的優(yōu)勢(shì)所在。

圖像的預(yù)處理主要包括了缺陷修正、去除FPN噪聲、色彩差值，圖像銳化差值、光圈修正、Gamma修正等一系列處理。

通過(guò)數(shù)字圖像處理算法來(lái)實(shí)現(xiàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)上述的圖像預(yù)處理過(guò)程，其硬件平臺(tái)可以是集成在SoC中的圖像處理電路、ASIC圖像處理芯片，或通用的DSP芯片。首先是消除圖像中的缺陷，如果某一個(gè)像素中有缺陷，而導(dǎo)致了其輸出電平被鉗位于高電乎(黑點(diǎn))或低電平(白點(diǎn))，就需要通過(guò)圖像處理來(lái)進(jìn)行彌補(bǔ)。通常是使用其周?chē)嗤伾袼氐钠骄祦?lái)代替該像素的輸出值。

通常情況下，不同列的列模／數(shù)轉(zhuǎn)換器存在著差異，這就導(dǎo)致了固定模式噪聲(fixedPatternNoise，F(xiàn)PN)的產(chǎn)生。圖4中BlackLines中的數(shù)據(jù)就是用來(lái)消除FPN的。協(xié)處理器會(huì)利用這一部分?jǐn)?shù)據(jù)來(lái)達(dá)到消除FPN的目的。

由于每個(gè)像素上為某種彩色濾光片，所以要通過(guò)色彩差值來(lái)得到其余兩種色彩信息。Gamma修正是為了消除在電學(xué)器件和光學(xué)器件之間在信號(hào)傳輸上的非線(xiàn)性效應(yīng)。

從以上的圖像處理過(guò)程可知，許多算法中使用了差值，這就導(dǎo)致了圖像的平滑化，而為了恢復(fù)銳利的圖像，就需要進(jìn)行光圈修正。在圖像處理中，通過(guò)邊緣檢測(cè)而得到的銳化邊緣對(duì)差值后的平滑圖像進(jìn)行卷積，從而得到銳利的圖像。

3結(jié)語(yǔ)

為了提高CMOS圖像傳感器的圖像質(zhì)量，通過(guò)對(duì)圖像主要的噪聲源以及圖像失真的分析，本文提出了一種新型的CMOS有源像素圖像傳感器。該CMOS圖像傳感器使用4T有源像素，大大提高了圖像傳感器的靈敏度。通過(guò)在傳感器中集成圖像預(yù)處理功能，對(duì)改善圖像的質(zhì)量起到了很好的效果。