1．引言
CMOS（ComplementaryMetalOxideSemiconductor，互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）圖像傳感器是利用CMOS工藝制造的圖像傳感器，主要利用了半導(dǎo)體的光電效應(yīng)，和電荷耦合器件（CCD）圖像傳感器的原理相同。
自從上世紀(jì)60年代末期，CMOS圖像傳感器與CCD圖像傳感器的研究幾乎同時(shí)起步，但由于受當(dāng)時(shí)工藝水平的限制，CMOS圖像傳感器圖像質(zhì)量差、分辨率低、噪聲降不下來(lái)和光照靈敏度不夠[1]，因而沒(méi)有得到重視和發(fā)展。而CCD器件因?yàn)橛泄庹侦`敏度高、噪音低、像素少等優(yōu)點(diǎn)一直主宰著圖像傳感器市場(chǎng)[2]。由于集成電路設(shè)計(jì)技術(shù)和工藝水平的提高，CMOS圖像傳感器過(guò)去存在的缺點(diǎn)，現(xiàn)在都可以找到辦法克服，而且它固有的優(yōu)點(diǎn)更是CCD器件所無(wú)法比擬的，因而它再次成為研究的熱點(diǎn)。
2．基本原理
CMOS型和CCD型固態(tài)圖像傳感器在光檢測(cè)方面都利用了硅的光電效應(yīng)原理，不同點(diǎn)在于像素光生電荷的讀出方式。CMOS圖像傳感器工作原理如圖1所示[3]。根據(jù)像素的不同結(jié)構(gòu)，CMOS圖像傳感器可以分為無(wú)源像素被動(dòng)式傳感器（PPS）和有源像素主動(dòng)式傳感器（APS）。根據(jù)光生電荷的不同產(chǎn)生方式APS又分為光敏二極管型、光柵型和對(duì)數(shù)響應(yīng)型，現(xiàn)在又提出了DPS(digitalpixelsensor)概念。
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（1）無(wú)源像素被動(dòng)式傳感器（PPS）
PPS的像素結(jié)構(gòu)包含一個(gè)光電二極管和一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管開(kāi)關(guān)V，其像素結(jié)構(gòu)如圖2所示，圖3為信號(hào)時(shí)序圖。當(dāng)V選通時(shí)，光電二極管中由于光照產(chǎn)生的電荷傳送到了列選擇線，然后列選擇線下端的積分放大器將該信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓輸出，光電二極管中產(chǎn)生的電荷與光信號(hào)成一定的比例關(guān)系。無(wú)源像素具有單元結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尋址簡(jiǎn)單、填充系數(shù)高、量子效率高等優(yōu)點(diǎn)，但它靈敏度低、讀出噪聲大。因此PPS不利于向大型陣列發(fā)展，所以限制了應(yīng)用，很快被APS代替。
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（2）有源像素主動(dòng)式傳感器（APS）
APS像素結(jié)構(gòu)的基本電路如圖4所示。從圖上可以看出，場(chǎng)效應(yīng)管V1構(gòu)成光電二極管的負(fù)載，它的柵極接在復(fù)位信號(hào)線上，當(dāng)復(fù)位脈沖出現(xiàn)時(shí)，V1導(dǎo)通，光電二極管被瞬時(shí)復(fù)位；而當(dāng)復(fù)位脈沖消失后，V1截止，光電二極管開(kāi)始積分光信號(hào)。圖5為上述過(guò)程的時(shí)序圖，其中，復(fù)位脈沖首先來(lái)到，V1導(dǎo)通，光電二極管復(fù)位；復(fù)位脈沖消失后，光電二極管進(jìn)行積分；積分結(jié)束后，V3管導(dǎo)通，信號(hào)輸出。
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（3）數(shù)字像素圖像傳感器（DPS）
上面提到的無(wú)源像素傳感器和器和有源像素傳感器的像素讀出均為模擬信號(hào)，于是它們又通稱為模擬像素傳感器。近年來(lái)，美國(guó)斯坦福大學(xué)提出了一種新的CMOS圖像傳感器結(jié)構(gòu)一數(shù)字像素傳感器（DPS），在像素單元里集成了ADC（Analog-to-DigitalConvertor）和存儲(chǔ)單元[4]。由于這種結(jié)構(gòu)的像素單元讀出為數(shù)字信號(hào)，其它電路都為數(shù)字邏輯電路，因此數(shù)字像素傳感器的讀出速度極快，具有電子快門的效果，非常適合高速應(yīng)用，而且它不像讀出模擬信號(hào)的過(guò)程，不存在器件噪聲對(duì)其產(chǎn)生干擾。另外，由于DPS充分利用了數(shù)字電路的優(yōu)點(diǎn)，因
此易于隨著CMOS工藝的進(jìn)步而提高解析度，性能也將很快達(dá)到并超過(guò)CCD圖像傳感器，并且實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的單片集成。
3．性能指標(biāo)[5]
CMOS圖像傳感器與CCD圖像傳感器相比，具有功耗低、攝像系統(tǒng)尺寸小、可將信號(hào)處理電路與MOS圖像傳感器集成在一個(gè)芯片上等優(yōu)點(diǎn)。但其圖像質(zhì)量（特別是低亮度環(huán)境下）與系統(tǒng)靈活性與CCD相比相對(duì)較低。表1列出CCD與CMOS圖像傳感器的特點(diǎn)，從表中可見(jiàn)CMOS與CCD圖像傳感器各有特點(diǎn)，二者互為補(bǔ)充，不會(huì)出現(xiàn)誰(shuí)消滅誰(shuí)的結(jié)局)，在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)將并存發(fā)展，共同繁榮圖像傳感器市場(chǎng)。
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（1）傳感器尺寸
CMOS圖像傳感器的尺寸越大,則成像系統(tǒng)的尺寸越大。目前,CMOS圖像傳感器的常見(jiàn)尺寸有1英寸、2/3英寸、1/2英寸、1/3英寸、1/4英寸等。
（2）像素總數(shù)和有效像素?cái)?shù)
像素總數(shù)是衡量CMOS圖像傳感器的主要技術(shù)指標(biāo)之一。CMOS圖像傳感器的總體像素中被用來(lái)進(jìn)行有效的光電轉(zhuǎn)換并輸出圖像信號(hào)的像素為有效像素。顯而易見(jiàn),有效像素總數(shù)隸屬于像素總數(shù)集合。有效像素?cái)?shù)目直接決定了CMOS圖像傳感器的分辨能力。
（3）最小照度
最小照度是指在使用最大光圈增益、攝取特定目標(biāo)時(shí)視頻信號(hào)輸出幅度為100IRE所對(duì)應(yīng)的入射光的最小值。
（4）動(dòng)態(tài)范圍
動(dòng)態(tài)范圍由CMOS圖像傳感器的信號(hào)處理能力和噪聲決定,反映了CMOS圖像傳感器的工作范圍。參照CCD的動(dòng)態(tài)范圍,其數(shù)值是輸出端的信號(hào)峰值電壓與均方根噪聲電壓之比,通常用DB表示。
（5）靈敏度
圖像傳感器對(duì)入射光功率的響應(yīng)能力被稱為響應(yīng)度。對(duì)于CMOS圖像傳感器來(lái)說(shuō),通常采用電流靈敏度來(lái)反映響應(yīng)能力,電流靈敏度也就是單位光功率所產(chǎn)生的信號(hào)電流。
（6）分辨力
分辨力是指CMOS圖像傳感器對(duì)景物中明暗細(xì)節(jié)的分辨能力。通常用調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)來(lái)表示,同時(shí)也可以用空間頻率(lp/mm)來(lái)表示。
（7）光電響應(yīng)不均勻性
CMOS圖像傳感器是離散采樣型成像器件,光電響應(yīng)不均勻性定義為CMOS圖像傳感器在標(biāo)準(zhǔn)的均勻照明條件下,各個(gè)像元的固定噪聲電壓峰峰值與信號(hào)電壓的比值。
（8）光譜響應(yīng)特性
CMOS圖像傳感器的信號(hào)電壓Vs和信號(hào)電流Is是入射光波長(zhǎng)λ的函數(shù)。光譜響應(yīng)特性就是指CMOS圖像傳感器的響應(yīng)能力隨波長(zhǎng)的變化關(guān)系,它決定了CMOS圖像傳感器的光譜范圍。
4．關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題及解決途徑[6]
5．（1）暗電流
暗電流是CMOS圖像傳感器的難題之一。CMOS成像器件均有較大的像
素尺寸，因此，在正常范圍內(nèi)也會(huì)產(chǎn)生一定的暗電流。暗電流限制了器件的靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍。通過(guò)改進(jìn)CMOS工藝，降低溫度，壓縮結(jié)面積，可降低暗電流的發(fā)生率，也可通過(guò)提高幀速率來(lái)縮短暗電流的匯集時(shí)間，從而減弱暗電流的影響。
（2）噪聲
噪聲的大小直接影響CMOS圖像傳感器對(duì)信號(hào)的采集和處理，因此,如何提高信噪比是CMOS圖像傳感器的關(guān)鍵技術(shù)之一。噪聲主要包括散粒噪聲、熱噪聲、1/f噪聲、非均勻噪聲和固定模式噪聲。采取以下措施可抑制噪聲和提高靈敏度：a.采用減少失調(diào)的獨(dú)特電路，使用制造更加穩(wěn)定的晶體管專用工藝；b.每個(gè)像元內(nèi)含一個(gè)對(duì)各種變化靈敏度相對(duì)較低的放大器；c.借鑒CCD圖像傳感器的制備技術(shù)，采用相關(guān)雙取樣電路技術(shù)和微透鏡陣列技術(shù)；d.光敏二極管設(shè)計(jì)成針形結(jié)構(gòu)或掩埋形結(jié)構(gòu)。
（3）填充系數(shù)
CMOS圖像傳感器的填充系數(shù)一般在20%~30%之間，而CCD圖像傳感器則高達(dá)80%以上，這主要是由于CMOS圖像傳感器的像素中集成了讀出電路。采用微透鏡陣列結(jié)構(gòu)，在整個(gè)CMOS有源像素傳感器的像元上放置一個(gè)微透鏡將光集中到有效面積上，可以大幅度提高靈敏度和填充系數(shù)。
（4）動(dòng)態(tài)范圍
動(dòng)態(tài)范圍是反映圖像傳感器性能的主要指標(biāo)之一。目前CMOS圖像傳感器的動(dòng)態(tài)范圍還稍遜于CCD，雖然對(duì)數(shù)響應(yīng)型CMOS圖像傳感器的動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)140dB，但同時(shí)也增加了圖像噪聲，影響了圖像質(zhì)量提高動(dòng)態(tài)范圍的方法之一就是利用PECVD超高真空系統(tǒng)以及專用集成電路（ASIC）薄膜技術(shù)，改進(jìn)光電二極管的材料組合，提高低灰度部位的感光度來(lái)提高動(dòng)態(tài)范圍。
5．研究進(jìn)展
視頻便攜式攝像機(jī)、掌上電腦、PDA和保安設(shè)備的巨大需求推動(dòng)了CMOS圖像傳感器的廣泛應(yīng)用。其中以APS發(fā)展最為迅速，過(guò)去工藝中各種不易解決的技術(shù)問(wèn)題現(xiàn)在都能找到相應(yīng)的解決辦法，圖像質(zhì)量得到大大改善，像素規(guī)模已由最初的幾萬(wàn)像素發(fā)展到現(xiàn)在的幾百萬(wàn)上千萬(wàn)像素。CDS電路，技術(shù)彩色濾波器陣列技術(shù)，數(shù)字信號(hào)處理（DSP）技術(shù)，噪聲抑制技術(shù)不斷有新突破，目前CMOS傳感器大都采用0.35mm或0.5mm的CMOS制造工藝，CMOS單元面積上的像素?cái)?shù)已與CCD相當(dāng)，因此可基本達(dá)到CCD器件的高分辨率。
目前CMOS圖像傳感器主要朝著高分辨率、高動(dòng)態(tài)范圍、高靈敏度、超微型化、數(shù)字化、多功能化的方向發(fā)展。隨著CMOS圖像傳感器技術(shù)的完善和發(fā)展，它的應(yīng)用范圍也會(huì)不斷拓寬，全球CMOS圖像傳感器銷售量將逐年大幅度增長(zhǎng)。