CMOS图像传感器的技巧演进与调试.doc

CMOS图像传感器的技术演进与调试 前言：金 属氧化物半导体元件(Complementary Metal-Oxide Semiconductor，CMOS)图像传感器，已被广泛用于手机、笔记本和膝上电脑、数码相机、视频游戏机、玩具、医疗设备、汽车、安全设备、工业 设备等领域，以其低功耗、低成本、高集成度、高良品率等诸多优点，不断刷新着市场占有率。本文就CMOS图像传感器的技术演进、与CCD的技术对比以及在 安防领域的应用这几个话题展开讨论。 关键词：CMOS，CCD，高清网络摄像机 1.????? CMOS图像传感器的技术演进 CMOS 图像传感器(CMOS Image Sensor)起步于上世纪九十年代初，当时的CMOS图像传感器的图像感测效果差强人意，未能大规模应用。习惯上称此时的CMOS传感器为“被动式像素 图像传感器架构”。九十年代中期，美国太空总署的喷射推进实验室提出了“主动式像素图像传感器架构”，使CMOS图像传感器才真正走上了大规模商用的道 路。 ???与被动式像素架构不同，主动式架构采用的是：向每个图像感测像素中加入信号放大器以及相应的杂波控制电路，然后再逐行读取放大后的信号。这样一来，就避免了被动式像素架构在传递未经放大的原始信号过程中易受杂波干扰的问题，使得图像质量大幅增强。 目前CMOS图像传感器的发展方向主要集中在更高的灵敏度、更强的噪声抑制能力以及更小的尺寸这些方面。沿着这些方向，相应的技术也在不断的产生与发展： 1.1?背照射结构： 一 般CMOS图像传感器进光投射方向为前照射结构，如图所示。由于入射光到达像素中的光电二极管之前要通过硅基板表面的金属导线和晶体管，部分光线被反射， 阻碍了片上透镜的采光进程，灵敏度降低，SONY将前照射改为背照射(Back-illuminated structure),把金属线路和晶体管移至硅基板另一面，入射光通过微透镜、滤色片直接到达光电二极管，大大增加了进入每个像素的进光量，从而有效提 高了传感器的灵敏度。目前在消费电子领域，一些国际大厂如索尼、佳能、尼康等均已开始采用背照射结构的CMOS传感器。 图1 前照射结构与背照射结构比较 1.2?片上降噪技术： 一 般像素电路为三晶体管方式，虽然有用信号得到放大，但杂波也随之放大。Canon公司采用四晶体管方式，如图所示。由于固定模式噪音来自不同像素放大器之 间的不均衡的信号增强，这也就是即使在一天中的不同时段拍摄不同主体的照片时，噪音可能出现在相同像素的原因。为消除此类噪音，佳能第二代片上降噪电路会 读取固定模式噪音量，然后消除噪音以提供无噪音的光信号。??????????????? 图2 片上降噪技术 1.3?暗电流抑制技术： 暗电流是CMOS上由于微晶缺陷或漏电流产生的，在长时间曝光、温度上升等情况下，像素电荷积累增多，导致CMOS产生噪音。为此，Canon公司采用了“埋入式光电二极管”的构造来降低噪音发生的机率。 1.4??制程技术的提升： 随 着大规模集成电路的迅猛发展，CMOS的制程能力也在不断提升，从微米、亚微米到深亚微米，CMOS传感器的集成度越来越高。进入2011年，意法半导体 和IBM宣布两家公司签署了一项技术合作协议，将合作开发32纳米和22纳米CMOS制程技术，这预示着CMOS纳米级制程时代的到来。 2.????? CMOS图像传感器与CCD的技术对比 CMOS图像传感器相对于CCD传感器，从本质特性上分析，主要有以下几个优势： 图 像信号读出率高，响应速度快。由于CMOS传感器的越来越高的SOC化，以及大规模集成电路制造工艺的提升，使得大部分信号处理电路能够集成在同一个芯片 上，信号传输距离缩短，寄生参数、传输延迟均可大幅改善，因此CMOS传感器更容易实现高速率信号读出。目前CCD信号读出速率通常不超过 70Mpixels/s，CMOS可达1000Mpixels/s。 低功耗。CCD需要很多驱动电压(-7.5V到15V)来驱动电荷转移，功耗很难控制。CMOS传感器得益于大规模集成电路工艺，只需一个电源(并多为低电压)驱动就行，耗电量仅为CCD的1/8到1/10。 无 垂直拖尾现象。垂直拖尾是指当拍摄高亮度发光物体时，如照明灯、太阳，画面上会出现一条垂直亮带。在传统CCD上，当光照产生的电信号超过了二极管(垂直 存储器)的容量时，二极管(垂直存储器)电荷会发生溢出，从而产生了垂直拖尾现象。由于自身机理的原因，这种现象在至今无法彻底消除。但由于CMOS特殊 的成像结构，这种现象不会在CMOS图像传感器上出现。 高 集成度。由于CMOS图像传感器采用大规模集成电路工艺，所以很容易将其他功能芯片一起整合到CMOS芯片上。目前主流的CMOS sensor一般会将视频信号处理电驴和静止图片信号处理电路集成