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一、引言 70 年代初美國貝爾實(shí)驗(yàn)室研制成功第一只電耦合器件（ CCD） ， 之后CCD技術(shù)發(fā)展迅速。CCD 圖像傳感器作為一種新型光電轉(zhuǎn)換器已被廣泛的應(yīng)用于攝像、圖像采集、掃描儀以及工業(yè)測量等領(lǐng)域。隨著CCD 應(yīng)用范圍的擴(kuò)大， 其缺點(diǎn)逐漸暴露出來。為此， 人們又開發(fā)了另外幾種固體圖像傳感器技術(shù)。其中， 最引人注目、最有發(fā)展?jié)摿Φ氖荂M OS 圖像傳感器， 它能獲得和CCD 產(chǎn)品相似的圖像質(zhì)量， 且在功耗、集成度上都取得了很大突破。 二、CCD 結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn) 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(yīng)寬、集成度高、維護(hù)方便、成本低廉等一系列優(yōu)點(diǎn)，在國防、公安、醫(yī)學(xué)、工業(yè)、醫(yī)學(xué)、生物、天文、地質(zhì)、宇航等科學(xué)和技術(shù)各領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用， 是現(xiàn)代最重要的圖像傳感器之一。電荷耦合器件（ CCD） 的突出特點(diǎn)是以電荷為信號(hào)， 而不同于其它大多數(shù)器件是以電流或者電壓為信號(hào)。構(gòu)成CCD 的基本單元是M OS（金屬- 氧化物- 半導(dǎo)體） 結(jié)構(gòu)。CCD 的基本功能是電荷的存儲(chǔ)和電荷的轉(zhuǎn)移。工作時(shí)， 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(qiáng)成線性關(guān)系。電荷讀出時(shí)， 在一定相位關(guān)系的移位脈沖作用下， 從一個(gè)位置移動(dòng)到下一個(gè)位置， 直到移出CCD， 經(jīng)過電荷- 電壓變換， 轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)。由于CCD 每個(gè)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(qiáng)， 一旦勢阱中被電荷填滿， 電子將產(chǎn)生“溢出”現(xiàn)象。另外，CCD 的電荷讀出時(shí)， 是從一個(gè)位置到下一個(gè)位置的電荷轉(zhuǎn)移過程， 存在電荷的轉(zhuǎn)移效率和轉(zhuǎn)移損失問題。CCD 圖像傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理， 決定了這類器件有以下優(yōu)點(diǎn)： 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(xiàn)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(dòng)態(tài)范圍。 三、CMOS 圖像傳感器結(jié)構(gòu) 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(shí)和控制電路， 及在片模擬信號(hào)處理器（ ASP） 構(gòu)成。更高級(jí)的CM OS 圖像傳感器還集成有在片模數(shù)轉(zhuǎn)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(shí)和控制電路限制信號(hào)讀出模式、設(shè)定積分時(shí)間、控制數(shù)據(jù)輸出率等。在片模擬信號(hào)處理器完成信號(hào)積分、放大、取樣和保持、相關(guān)雙取樣、雙《 取樣等功能。在片模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器是在片數(shù)字成像系統(tǒng)所必需的，CM OS 圖像傳感器可以是整個(gè)成像陣列有一個(gè)ADC 或幾個(gè)ADC （ 每個(gè)一種顏色） ， 也可以是成像陣列每列各有一個(gè)ADC.光敏單元將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)在片信號(hào)處理電路處理后， 以模擬或數(shù)字形式的信號(hào)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(chǎn)生電荷信號(hào)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?yàn)镃CD 像元耗盡區(qū)深度可達(dá)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(biāo)準(zhǔn)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(qū)深度只有1~2mm，其吸收截止波長小于650nm ，導(dǎo)致像元對(duì)紅光及近紅外光吸收困難。3.2電子- 電壓轉(zhuǎn)換率電子- 電壓轉(zhuǎn)換率表示每個(gè)信號(hào)電子轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)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(bǔ)放大器結(jié)構(gòu)， 其電壓轉(zhuǎn)換率略優(yōu)于CCD 圖像傳感器。CCD圖像傳感器要達(dá)到同樣的電壓轉(zhuǎn)換率需要付出進(jìn)一步增大器件功耗的代價(jià)。 CCD 研制者正進(jìn)一步研究新的讀出放大器結(jié)構(gòu)以提高響應(yīng)率。 2 響應(yīng)速度 響應(yīng)速度由于CCD 采用串行連續(xù)掃描的工作方式， 必須一次性的讀出整行或整列的像素?cái)?shù)據(jù)。而COM S 由于采用單點(diǎn)信號(hào)傳輸， 通過簡單的X-Y 尋址技術(shù)， 允許從整個(gè)排列， 部分甚至單元來讀出數(shù)據(jù)， 從而提高尋址速度， 實(shí)現(xiàn)更快的信號(hào)傳輸。 3 噪聲比較 CCD 的特色在于從充分保持信號(hào)在傳輸是不失真（ 有專屬通道設(shè)計(jì)） 。透過每一個(gè)像素集合至單一放大器上做統(tǒng)一處理。可以保持資料的完整性。相對(duì)地， CM OS 的設(shè)計(jì)中每個(gè)像素旁就直接連著ADC （ 放大兼模擬/數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換器） ， 沒有專署通道設(shè)計(jì)。因此必須先放大再整合各個(gè)像素的資料。所以CM OS計(jì)算出的早點(diǎn)要比CCD 多， 這將會(huì)影響到圖像品質(zhì)。 4 成本比較 由于CM OS 傳感器采用半導(dǎo)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(shí)鐘、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； 而CCD 傳感器采用電荷傳遞方式傳送數(shù)據(jù)。其中有一個(gè)像素不能運(yùn)行。將會(huì)導(dǎo)致一整排的數(shù)據(jù)不能傳送。控制CCD 傳感器的成品率會(huì)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(jì)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(bǔ)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(diǎn)而得不到重視和發(fā)展。 CCD 圖像傳感器也由于敏感元件和信號(hào)處理電路不能集成在同一芯片上而使CCD 攝像機(jī)/照相機(jī)體積大、功耗大。 CM OS 傳感器卻有集成度高、功耗小和造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)， 如果CM OS 圖像傳感器能克服以上缺點(diǎn)而保持原有的優(yōu)點(diǎn)， 就比CCD 傳感器的應(yīng)用更有優(yōu)勢。由于集成電路設(shè)計(jì)技術(shù)和工藝水平的提高，CM OS 圖像傳感器過去存在的缺點(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 器件所無法比擬的， 因而它再次成為研究的熱點(diǎn)。CCD 傳感器需要多個(gè)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(gè)極大的優(yōu)點(diǎn)。CCD 傳感器需要在外部配接放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、時(shí)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(dāng)一個(gè)完整的圖像系統(tǒng)。一個(gè)典型的CM OS 圖像傳感器通常包含： 一個(gè)圖像傳感器核心， 這與CCD 圖像傳感器相似， 所有的時(shí)序邏輯電路、單一時(shí)鐘及芯片內(nèi)的可編程功能， 比如增益調(diào)節(jié)、積分時(shí)間、窗口和模數(shù)轉(zhuǎn)換器。與傳統(tǒng)的CCD 圖像系統(tǒng)相比， 把整個(gè)圖像系統(tǒng)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(jià)格更低的優(yōu)點(diǎn)。 五、發(fā)展現(xiàn)狀 當(dāng)前，CM OS 圖像傳感器主要朝著高分辨率、高動(dòng)態(tài)范圍、高敏度、超微型化、數(shù)字化、多功能化的方向展。1996 年就有采用0.5m CM OS 工藝開發(fā)出2048×2048 陣列的CM OS 圖像傳感器的報(bào)道。當(dāng)采用0.25mCM OS 工藝時(shí)，相信將生產(chǎn)出陣列更高的傳感器通過采用新工藝和改善相關(guān)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(shù)超70% ; 通過在像素單元下面使用一層摻雜層可使填充系數(shù)達(dá)到100% 。一種階躍的復(fù)位柵電壓技術(shù)能將APSCM OS 圖像傳感器的動(dòng)態(tài)范圍提高90dB; 采用ASIC技術(shù)的薄膜圖像傳感器允許增強(qiáng)局部像元對(duì)比度， 可使動(dòng)態(tài)范圍達(dá)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(jì)算機(jī)接口及紅外接口技術(shù)這些突出的優(yōu)點(diǎn)， 相信一個(gè)嶄新的數(shù)字圖像技術(shù)時(shí)代即將來臨。 |
