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- 什么是CMOS傳感器
- 來源：賽斯維傳感器網(wǎng) 發(fā)表于 2014/9/29
CMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor），中文學(xué)名為互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體，它本是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)一種重要的芯片，保存了系統(tǒng)引導(dǎo)最基本的資料。CMOS的制造技術(shù)和一般計(jì)算機(jī)芯片沒什么差別，主要是利用硅和鍺這兩種元素所做成的半導(dǎo)體，使其在CMOS上共存著帶N（帶-電） 和 P（帶+電）級的半導(dǎo)體，這兩個互補(bǔ)效應(yīng)所產(chǎn)生的電流即可被處理芯片紀(jì)錄和解讀成影像。后來發(fā)現(xiàn)CMOS經(jīng)過加工也可以作為數(shù)碼攝影中的圖像傳感器，CMOS傳感器也可細(xì)分為被動式像素傳感器（Passive Pixel Sensor CMOS）與主動式像素傳感器（Active Pixel Sensor CMOS）。
當(dāng)今的CMOS圖像轉(zhuǎn)換技術(shù)不僅服務(wù)于“傳統(tǒng)的”工業(yè)圖像處理，而且還憑借其卓越的性能和靈活性而被日益廣泛的新穎消費(fèi)應(yīng)用所接納。此外，它還能確保汽車駕駛時的高安全性和舒適性。最初，CMOS圖像傳感器被應(yīng)用于工業(yè)圖像處理；在那些旨在提高生產(chǎn)率、質(zhì)量和生產(chǎn)工藝經(jīng)濟(jì)性的全新自動化解決方案中，它至今仍然是至關(guān)重要的一環(huán)。
據(jù)市場研究公司IMS Research的預(yù)測，在未來的幾年中，歐洲工業(yè)圖像處理市場的年成長率將達(dá)到6%，其中，在相機(jī)中集成了軟件功能的智能型解決方案的市場份額將不斷擴(kuò)大。在德國，據(jù)其全國工具機(jī)供應(yīng)商協(xié)會VDMA提供的數(shù)據(jù)，2004年的圖像處理市場增長率達(dá)到了14%。市場調(diào)研公司In-Stat/MDR亦指出，單就圖像傳感器的次級市場而言，其年成長率將高達(dá)30%以上，而且這種情況將持續(xù)到2008年。最為重要的是：CMOS傳感器的成長速度將達(dá)到CCD傳感器的七倍，照相手機(jī)和數(shù)碼相機(jī)的迅速普及是這種需求的主要推動因素。
顯然，人們?nèi)绱丝春肅MOS圖像轉(zhuǎn)換器的成長前景是基于這樣一個事實(shí)，即：與壟斷該領(lǐng)域長達(dá)30多年的CCD技術(shù)相比，它能夠更好地滿足用戶對各種應(yīng)用中新型圖像傳感器不斷提升的品質(zhì)要求，如更加靈活的圖像捕獲、更高的靈敏度、更寬的動態(tài)范圍、更高的分辨率、更低的功耗以及更加優(yōu)良的系統(tǒng)集成等。此外，CMOS圖像轉(zhuǎn)換器還造就了一些迄今為止尚不能以經(jīng)濟(jì)的方式來實(shí)現(xiàn)的新穎應(yīng)用。另外，還有一些有利于CMOS傳感器的“軟”標(biāo)準(zhǔn)在起作用，包括：應(yīng)用支持、抗輻射性、快門類型、開窗口和光譜覆蓋率等。不過，這種區(qū)別稍帶幾分任意性，因?yàn)檫@些標(biāo)準(zhǔn)的重要程度將由于應(yīng)用的不同（消費(fèi)、工業(yè)或汽車）而發(fā)生變化。
細(xì)節(jié)表現(xiàn)中所面臨的難題
就像我們從模擬攝影所獲知的那樣，拍攝一幅完整場景的照片是一件相當(dāng)普通的事情，照相手機(jī)同樣如此。但是，對于工業(yè)或汽車應(yīng)用來說，情況就大不一樣了：有些場合并不需要很高的全幀數(shù)據(jù)速率。比如，在監(jiān)控攝像機(jī)中，只要能夠發(fā)現(xiàn)一幅場景中出現(xiàn)的變化（因?yàn)檫@種變化可能預(yù)示著某種可疑情況），那么分辨率低一點(diǎn)也是完全可以接受的。在此基礎(chǔ)之上才需要借助全分辨率來采集更多的細(xì)節(jié)信息。跟著發(fā)生的動作將只在攝像機(jī)視場的某一部分當(dāng)中進(jìn)行播放，而且，在所捕獲的場景中，只有這一部分才是監(jiān)控人員所關(guān)注的。
對于只提供全幀圖像的CCD圖像傳感器而言，只有采用一個分離的評估電路才能夠提供兩個觀測角度，這意味著處理時間和成本的增加。然而，CMOS圖像傳感器的工作原理則與RAM相似，所有的存儲位均可單獨(dú)讀出。CMOS傳感器的二次采樣雖然提供了較低的分辨率，但是幀速率較高；而開窗口則允許隨機(jī)選擇一塊感興趣的區(qū)域。
CMOS傳感器優(yōu)勢
最新CMOS傳感器獲得廣泛應(yīng)用的一個前提是其所擁有的較高靈敏度、較短曝光時間和日漸縮小的像素尺寸。像素靈敏度的一個衡量尺度是填充因子（感光面積與整個像素面積之比）與量子效率（由轟擊屏幕的光子所生成的電子的數(shù)量）的乘積。CCD傳感器因其技術(shù)的固有特性而擁有一個很大的填充因子。而在CMOS圖像傳感器中，為了實(shí)現(xiàn)堪與CCD轉(zhuǎn)換器相媲美的噪聲指標(biāo)和靈敏度水平，人們給CMOS圖像傳感器裝配上了有源像素傳感器（APS），并且導(dǎo)致填充因子降低，原因是像素表面相當(dāng)大的一部分面積被放大器晶體管所占用，留給光電二極管的可用空間較小。所以，當(dāng)今CMOS傳感器的一個重要的開發(fā)目標(biāo)就是擴(kuò)大填充因子。賽普拉斯（FillFactory）通過其獲得專利授權(quán)的一項(xiàng)技術(shù)，可以大幅度地提高填充因子，這種技術(shù)可以把一顆標(biāo)準(zhǔn)CMOS硅芯片最大的一部分面積變?yōu)橐粔K感光區(qū)域。
另外，對于一個典型的工業(yè)用圖象傳感器而言，由于許多場景的拍攝都是在照明條件很差的情況下進(jìn)行的，因此擁有較大的動態(tài)范圍將是十分有益的。CMOS圖像傳感器通過多斜率操作實(shí)現(xiàn)了這一目標(biāo)：轉(zhuǎn)換曲線由傾度不同的直線部分所組成，它們共同形成了一個非線性特征曲線。因此，一幅場景的黑暗部分有可能占據(jù)集成模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換范圍的很大一部分：轉(zhuǎn)換特征曲線在這里最為陡峭，以實(shí)現(xiàn)高靈敏度和對比度。特征曲線上半部分的平整化將在圖像的明亮部分捕獲幾個數(shù)量級的過度曝光，并以一個更加細(xì)致的標(biāo)度來表現(xiàn)它們。采用多斜率的方式來運(yùn)作LUPA-4000將使高達(dá)90dB的光動態(tài)范圍與一個10位A/D轉(zhuǎn)換范圍相匹配。
具有VGA分辨率的IM-001系列CMOS圖像傳感器在此基礎(chǔ)上更進(jìn)一步；它們是專為汽車應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。其像素由光電二極管組成，可提供高達(dá)120dB的自適應(yīng)動態(tài)范圍。面向汽車應(yīng)用的ACM 100相機(jī)模塊就采用了這些傳感器，這種相機(jī)模塊據(jù)稱是同類產(chǎn)品中率先面市的全集成化相機(jī)解決方案：該視覺解決方案被看作是面向駕駛者保護(hù)、防撞、夜視支持和輪胎跟蹤導(dǎo)向的未來汽車安全系統(tǒng)的關(guān)鍵元件。
此外，對于獨(dú)立于電網(wǎng)的便攜式應(yīng)用而言，以低功耗特性而著稱的CMOS技術(shù)還具有一個明顯的優(yōu)勢：CMOS圖像傳感器是針對5V和3.3V電源電壓而設(shè)計(jì)的。而CCD芯片則需要大約12V的電源電壓，因此不得不采用一個電壓轉(zhuǎn)換器，從而導(dǎo)致功耗增加。在總功耗方面，把控制和系統(tǒng)功能集成到CMOS傳感器中將帶來另一個好處：它去除了與其他半導(dǎo)體元件的所有外部連接線。其高功耗的驅(qū)動器如今已遭棄用，這是因?yàn)樵谛酒瑑?nèi)部進(jìn)行通信所消耗的能量要比通過PCB或襯底的外部實(shí)現(xiàn)方式低得多。
擴(kuò)展光譜靈敏度和提高分辨率是大趨勢
在現(xiàn)代CMOS圖像傳感器中，一個重要的發(fā)展趨勢是其光譜靈敏度擴(kuò)展到了近紅外區(qū)NIR（至約1，100nm的波長）。配備了IM-001 CMOS圖像傳感器的汽車應(yīng)用將改善霧穿透力和夜視能力。由于工業(yè)圖像捕獲技術(shù)開始運(yùn)用更多波長位于NIR之中的光源，而且生物技術(shù)也在利用該光譜區(qū)域中的有趣現(xiàn)象，因此，新開發(fā)的IBIS 5-AE-1300傳感器具有700～900nm的NIR靈敏度。
在面向消費(fèi)應(yīng)用的圖像捕獲技術(shù)中，另一個發(fā)展趨勢是繼續(xù)提高分辨率。到2005年年中，70%左右的手機(jī)相機(jī)已具有VGA格式分辨率（640×480像素）；但隨后的2006年，幾百萬像素的傳感器就將占領(lǐng)50%的市場份額，而到2008年，其市場占有率預(yù)計(jì)將進(jìn)一步攀升至90%以上。為此，賽普拉斯公司開發(fā)了一種用于蜂窩電話的300萬像素圖像傳感器，該產(chǎn)品采用了Autobrite技術(shù)，可進(jìn)行12位模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換，并提供了72dB的寬廣動態(tài)范圍，而目前市面上的10位模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器的動態(tài)范圍僅為60dB。逐行掃描模式中的幀速率高達(dá)30幀/秒，因而可錄制實(shí)況視頻節(jié)目。
在工業(yè)和商業(yè)領(lǐng)域中，這種發(fā)展趨勢也很明顯：賽普拉斯已推出一款用于Kodak數(shù)碼相機(jī)的1，300萬像素/35mm圖像傳感器，另外，660萬像素的IBIS 4-6600傳感器正在一種面向弱視人群的自動閱讀輔助裝置中證明自己的卓越品質(zhì)－－它可在一幅完整的標(biāo)準(zhǔn)A4頁面上提供出色的分辨率。憑借技術(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成 由于蜂窩電話、數(shù)碼相機(jī)、MP3播放機(jī)和PDA等傳統(tǒng)分離型功能設(shè)備的加速數(shù)字融合（即成為一部緊湊的消費(fèi)型電子產(chǎn)品），導(dǎo)致人們越來越希望至少具有部分自主性的子系統(tǒng)能夠在一部設(shè)備中提供極為寬泛的功能。這種趨勢還將對專業(yè)測量技術(shù)產(chǎn)生影響：利用包含一個數(shù)碼相機(jī)、PDA用戶接口和WLAN聯(lián)網(wǎng)能力的便攜式檢驗(yàn)工具，光測試和監(jiān)視的應(yīng)用范圍將得到有效的拓展。作為一種平臺技術(shù)，CMOS符合這一發(fā)展潮流：CCD圖像轉(zhuǎn)換器仍然需要采用外部邏輯電路來實(shí)現(xiàn)控制和模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換功能，而CMOS標(biāo)準(zhǔn)邏輯器件則能夠把傳感器、控制器、轉(zhuǎn)換器和評估邏輯電路等全部集成到一塊芯片之中。
一個典型的例子如專門針對要求苛刻的消費(fèi)應(yīng)用而制作的CYIWCSC1300AA芯片的圖像捕獲電路。它基于130萬像素圖像傳感器CYIWOSC1300AA 和一個用于提供誤差插補(bǔ)、黑電平調(diào)整、透鏡校正、信號互串校正、彩色馬賽克修補(bǔ)、彩色校正、自動曝光、噪聲抑制、特效和γ校正等等諸多功能的附加信號處理器。集成更多的系統(tǒng)功能（一直到自主型光電傳感器系統(tǒng)）是可行的，這主要取決于諸如市場容量和開發(fā)成本等經(jīng)濟(jì)目標(biāo)和限制因素。
IMS Research公司的資深市場分析家John Morse指出：“工業(yè)圖像處理市場的變化非�？欤还馐窃诩夹g(shù)層面上，而且還涉及近期發(fā)生的制造商合并事件。我們認(rèn)為這種趨勢還將繼續(xù)下去�！惫嫒绱耍敲催@同樣適用于賽普拉斯公司：通過收購MIT（美國麻省理工學(xué)院）于1999年成立的SMal Camera Technologies公司，賽普拉斯已將其業(yè)務(wù)觸角延伸到了消費(fèi)和汽車領(lǐng)域；而兼并FillFactory（這是一家于1999年從總部位于比利時Leuven的著名歐洲微電子和納米技術(shù)研究中心IMEC抽資脫離而成的公司）則使賽普拉斯進(jìn)一步躋身工業(yè)領(lǐng)域。
CMOS圖像傳感器市場正在蓬勃發(fā)展之中，即將成為一個大規(guī)模市場。它在很大程度上仍然依賴于客戶專用設(shè)計(jì)來滿足規(guī)格和系統(tǒng)集成方面的一組定制要求。不過，它將越來越多地提供通用的標(biāo)準(zhǔn)解決方案。分辨率、幀速率和靈敏度的提高以及成本的下降正使其應(yīng)用領(lǐng)域不斷地擴(kuò)大。要的一環(huán)。
像素結(jié)構(gòu)
被動式像素結(jié)構(gòu)
被動式像素結(jié)構(gòu)（Passive Pixel Sensor.簡稱PPS），又叫無源式。它由一個反向偏置的光敏二極管和一個開關(guān)管構(gòu)成。光敏二極管本質(zhì)上是一個由P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體組成的PN結(jié)，它可等效為一個反向偏置的二極管和一個MOS電容并聯(lián)。當(dāng)開關(guān)管開啟時，光敏二極管與垂直的列線（Column bus）連通。位于列線末端的電荷積分放大器讀出電路（Charge integrating amplifier）保持列線電壓為一常數(shù)，當(dāng)光敏二極管存貯的信號電荷被讀出時，其電壓被復(fù)位到列線電壓水平，與此同時，與光信號成正比的電荷由電荷積分放大器轉(zhuǎn)換為電荷輸出。
主動式像素結(jié)構(gòu)
主動式像素結(jié)構(gòu)（Active Pixel Sensor.簡稱APS），又叫有源式，如圖2所示．幾乎在CMOS PPS像素結(jié)構(gòu)發(fā)明的同時，人們很快認(rèn)識到在像素內(nèi)引入緩沖器或放大器可以改善像素的性能，在CMOS APS中每一像素內(nèi)都有自己的放大器。集成在表面的放大晶體管減少了像素元件的有效表面積，降低了“封裝密度”，使40%～50%的入射光被反射。這種傳感器的另一個問題是，如何使傳感器的多通道放大器之間有較好的匹配，這可以通過降低殘余水平的固定圖形噪聲較好地實(shí)現(xiàn)。由于CMOS APS像素內(nèi)的每個放大器僅在此讀出期間被激發(fā)，所以CMOS APS的功耗比CCD圖像傳感器的還小。
填充因數(shù)與量子效率
這填充因數(shù)（Fill Factor），又叫充滿因數(shù)，它指像素上的光電二極管相對于像素表面的大小。量子效率（Quantun efficiency）是指一個像素被光子撞擊后實(shí)際和理論最大值電子數(shù)的歸一化值.被動式像素結(jié)構(gòu)的電荷填充因數(shù)通�？蛇_(dá)到70%，因此量子效率高。但光電二極管積累的電荷通常很小，很易受到雜波干擾。再說像素內(nèi)部又沒有信號放大器，只依賴垂直總線終端放大器，因而讀出的信號雜波很大，其S/N比低，更因不同位置的像素雜波大小不一樣（固定圖形噪波FPN）而影響整個圖像的質(zhì)量。而主動性像素結(jié)構(gòu)與被動式相比，它在每個像素處增加了一個放大器，可以將光電二極管積累的電荷轉(zhuǎn)換成電壓進(jìn)行放大，大大提高了S/N比，從而提高了傳輸過程中抗干擾的能力。但由于放大器占據(jù)了過多的像素面積，因而它的填充因數(shù)相對較低，一般在25%-35%之間。
CMOS與CCD的區(qū)別
CCD與CMOS傳感器是被普遍采用的兩種圖像傳感器，兩者都是利用感光二極管（photodiode）進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，將圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，而其主要差異是數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳送的方式不同。
CCD傳感器中每一行中每一個象素的電荷數(shù)據(jù)都會依次傳送到下一個象素中，由最底端部分輸出，再經(jīng)由傳感器邊緣的放大器進(jìn)行放大輸出；而在CMOS傳感器中，每個象素都會鄰接一個放大器及A/D轉(zhuǎn)換電路，用類似內(nèi)存電路的方式將數(shù)據(jù)輸出。
造成這種差異的原因在于：CCD的特殊工藝可保證數(shù)據(jù)在傳送時不會失真，因此各個象素的數(shù)據(jù)可匯聚至邊緣再進(jìn)行放大處理；而CMOS工藝的數(shù)據(jù)在傳送距離較長時會產(chǎn)生噪聲，因此，必須先放大，再整合各個象素的數(shù)據(jù)。
由于數(shù)據(jù)傳送方式不同，因此CCD與CMOS傳感器在效能與應(yīng)用上也有諸多差異，這些差異包括：
1．靈敏度差異：
由于CMOS傳感器的每個象素由四個晶體管與一個感光二極管構(gòu)成（含放大器與A/D轉(zhuǎn)換電路），使得每個象素的感光區(qū)域遠(yuǎn)小于象素本身的表面積，因此在象素尺寸相同的情況下，CMOS傳感器的靈敏度要低于CCD傳感器。
2．成本差異：
由于CMOS傳感器采用一般半導(dǎo)體電路最常用的CMOS工藝，可以輕易地將周邊電路（如AGC、CDS、Timing generator、或DSP等）集成到傳感器芯片中，因此可以節(jié)省外圍芯片的成本；除此之外，由于CCD采用電荷傳遞的方式傳送數(shù)據(jù)，只要其中有一個象素不能運(yùn)行，就會導(dǎo)致一整排的數(shù)據(jù)不能傳送，因此控制CCD傳感器的成品率比CMOS傳感器困難許多，即使有經(jīng)驗(yàn)的廠商也很難在產(chǎn)品問世的半年內(nèi)突破50%的水平，因此，CCD傳感器的成本會高于CMOS傳感器。
3．分辨率差異：
CMOS傳感器的每個象素都比CCD傳感器復(fù)雜，其象素尺寸很難達(dá)到CCD傳感器的水平，因此，當(dāng)比較相同尺寸的CCD與CMOS傳感器時，CCD傳感器的分辨率通常會優(yōu)于CMOS傳感器的水平。例如，市面上CMOS傳感器最高可達(dá)到210萬象素的水平（OmniVision的 OV2610，2002年6月推出），其尺寸為1/2英寸，象素尺寸為4.25μm，但Sony在2002年12月推出了ICX452，其尺寸與 OV2610相差不多（1/1.8英寸），但分辨率卻能高達(dá)513萬象素，象素尺寸也只有2.78mm的水平。
4．噪聲差異：
由于CMOS傳感器的每個感光二極管都需搭配一個放大器，而放大器屬于模擬電路，很難讓每個放大器所得到的結(jié)果保持一致，因此與只有一個放大器放在芯片邊緣的CCD傳感器相比，CMOS傳感器的噪聲就會增加很多，影響圖像品質(zhì)。
5．功耗差異：
CMOS傳感器的圖像采集方式為主動式，感光二極管所產(chǎn)生的電荷會直接由晶體管放大輸出，但CCD傳感器為被動式采集，需外加電壓讓每個象素中的電荷移動，而此外加電壓通常需要達(dá)到12~18V；因此，CCD傳感器除了在電源管理電路設(shè)計(jì)上的難度更高之外（需外加 power IC），高驅(qū)動電壓更使其功耗遠(yuǎn)高于CMOS傳感器的水平。舉例來說，OmniVision推出的OV7640（1/4英寸、VGA），在 30 fps的速度下運(yùn)行，功耗僅為40mW；而致力于低功耗CCD傳感器的Sanyo公司推出的1/7英寸、CIF等級的產(chǎn)品，其功耗卻仍保持在90mW 以上。因此CCD發(fā)熱量比CMOS大，不能長時間在陽光下工作。
綜上所述，CCD傳感器在靈敏度、分辨率、噪聲控制等方面都優(yōu)于CMOS傳感器，而CMOS傳感器則具有低成本、低功耗、以及高整合度的特點(diǎn)。不過，隨著CCD與CMOS傳感器技術(shù)的進(jìn)步，兩者的差異有逐漸縮小的態(tài)勢，例如，CCD傳感器一直在功耗上作改進(jìn)，以應(yīng)用于移動通信市場（這方面的代表業(yè)者為Sanyo）；CMOS傳感器則在改善分辨率與靈敏度方面的不足，以應(yīng)用于更高端的圖像產(chǎn)品。
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