CMOS图像传感器

CMOS图像传感器

CMOS图像传感器于80年代发明以来，由于当时CMOS工艺制程的技术不高，以致于传感器在应用中的杂讯较大，商品化进程一直较慢。时至今日，CMOS传感器的应用范围也开始非常的广泛，包括数码相机 、PC Camera、影像电话、第三代手机、视讯会议、智能型保全系统、汽车倒车雷达、玩具，以及工业、医疗等用途。在低档产品方面，其画质质量已接近低档CCD的解析度，相关业者希望用CMOS器件取代CCD的努力正在逐渐明朗。CMOS传感器有可细分为：被动式像素传感器CMOS（Passive Pixel Sensor CMOS）与主动式像素传感器CMOS（Active Pixel Sensor CMOS）。

图1 东芝cmos面阵图像传感器

CMOS图像传感器与CCD的对比

与CCD相比，CMOS具有体积小，耗电量不到CCD的1/10，售价也比CCD便宜1/3的优点。 　　

与CCD产品相比，CMOS是标准工艺制程，可利用现有的半导体设备，不需额外的投资设备，且品质可随著半导体技术的提升而进步。同时，全球晶圆厂的CMOS生产线较多，日后量产时也有利于成本的降低。另外，CMOS传感器的最大优势，是它具有高度系统整合的条件。理论上，所有图像传感器所需的功能，例如垂直位移、水平位移暂存器、时序控制、CDS、ADC…等，都可放在集成在一颗晶片上，甚至于所有的晶片包括后端晶片（Back-end Chip）、快闪记忆体（Flash RAM）等也可整合成单晶片（SYSTEM-ON-CHIP），以达到降低整机生产成本的目的。 　　

正因为此，目前投入研发、生产的厂商较多，美国有30多家，欧洲7家，日本约8家，韩国1家，台湾有8家。而居全球翘楚地位的厂商是Agilent(HP)，其市场占有率51%、ST(VLSI Vision)占16%、Omni Vision占13%、现代占8%、Photobit约占5%，这五家合计市占率达93%。 　　

根据In-Stat统计资料显示，CMOS传感器的全球销售额到2004年可望突破18亿美元，CMOS将以62%的年复合成长率快速成长，逐步侵占CCD器件的应用领域。特别是在去年快速发展的手机应用领域中，以CMOS图像传感器为主的摄相模块将占领其80%以上的应用市场。 　　

在业界，与CCD传感器不同另一点是CMOS目前占据市场主要地位的是北美厂商，前三大厂商为Agilent、OmniVision和Photobit。因此图像传感器业界的技术、产业竞争，实质上是日本和北美双雄争霸的局面。

CMOS图像传感器的工作原理   

无论是CCD还是CMOS，它们都采用感光元件作为影像捕获的基本手段，CCD/CMOS感光元件的核心都是一个感光二极管（photodiode），该二极管在接受光线照射之后能够产生输出电流，而电流的强度则与光照的强度对应。但在周边组成上，CCD的感光元件与CMOS的感光元件并不相同，前者的感光元件除了感光二极管之外，包括一个用于控制相邻电荷的存储单元，感光二极管占据了绝大多数面积—换一种说法就是，CCD感光元件中的有效感光面积较大，在同等条件下可接收到较强的光信号，对应的输出电信号也更明晰。而CMOS感光元件的构成就比较复杂，除处于核心地位的感光二极管之外，它还包括放大器与模数转换电路，每个像点的构成为一个感光二极管和三颗晶体管，而感光二极管占据的面积只是整个元件的一小部分，造成CMOS传感器的开口率远低于CCD（开口率：有效感光区域与整个感光元件的面积比值）；这样在接受同等光照及元件大小相同的情况下，CMOS感光元件所能捕捉到的光信号就明显小于CCD元件，灵敏度较低；体现在输出结果上，就是CMOS传感器捕捉到的图像内容不如CCD传感器来得丰富，图像细节丢失情况严重且噪声明显，这也是早期CMOS传感器只能用于低端场合的一大原因。CMOS开口率低造成的另一个麻烦在于，它的像素点密度无法做到媲美CCD的地步，因为随着密度的提高，感光元件的比重面积将因此缩小，而CMOS开口率太低，有效感光区域小得可怜，图像细节丢失情况会愈为严重。因此在传感器尺寸相同的前提下，CCD的像素规模总是高于同时期的CMOS传感器，这也是CMOS长期以来都未能进入主流数码相机市场的重要原因之一。

每个感光元件对应图像传感器中的一个像点，由于感光元件只能感应光的强度，无法捕获色彩信息，因此必须在感光元件上方覆盖彩色滤光片。在这方面，不同的传感器厂商有不同的解决方案，最常用的做法是覆盖RGB红绿蓝三色滤光片，以1：2：1的构成由四个像点构成一个彩色像素（即红蓝滤光片分别覆盖一个像点，剩下的两个像点都覆盖绿色滤光片），采取这种比例的原因是人眼对绿色较为敏感。而索尼的四色CCD技术则将其中的一个绿色滤光片换为翡翠绿色（英文Emerald，有些媒体称为E通道），由此组成新的R、G、B、E四色方案。不管是哪一种技术方案，都要四个像点才能够构成一个彩色像素，这一点大家务必要预先明确。   

在接受光照之后，感光元件产生对应的电流，电流大小与光强对应，因此感光元件直接输出的电信号是模拟的。在CCD传感器中，每一个感光元件都不对此作进一步的处理，而是将它直接输出到下一个感光元件的存储单元，结合该元件生成的模拟信号后再输出给第三个感光元件，依次类推，直到结合最后一个感光元件的信号才能形成统一的输出。由于感光元件生成的电信号实在太微弱了，无法直接进行模数转换工作，因此这些输出数据必须做统一的放大处理—这项任务是由CCD传感器中的放大器专门负责，经放大器处理之后，每个像点的电信号强度都获得同样幅度的增大；但由于CCD本身无法将模拟信号直接转换为数字信号，因此还需要一个专门的模数转换芯片进行处理，最终以二进制数字图像矩阵的形式输出给专门的DSP处理芯片。而对于CMOS传感器，上述工作流程就完全不适用了。CMOS传感器中每一个感光元件都直接整合了放大器和模数转换逻辑，当感光二极管接受光照、产生模拟的电信号之后，电信号首先被该感光元件中的放大器放大，然后直接转换成对应的数字信号。换句话说，在CMOS传感器中，每一个感光元件都可产生最终的数字输出，所得数字信号合并之后被直接送交DSP芯片处理—问题恰恰是发生在这里，CMOS感光元件中的放大器属于模拟器件，无法保证每个像点的放大率都保持严格一致，致使放大后的图像数据无法代表拍摄物体的原貌—体现在最终的输出结果上，就是图像中出现大量的噪声，品质明显低于CCD传感器。

图2 CMOS图像传感器的工作原理图

CMOS图像传感器的结论
　　
从产品的技术发展趋势看，无论是CCD还是CMOS，其体积小型化及高像素化仍是业界积极研发的目标。因为像素尺寸小则图像产品的分辨率越高、清晰度越好、体积越小，其应用面更广泛。 　　

从上述二种图像传感器解析度来看，未来将有几年时间，以130万像素至200万像素为界，之上的应用领域中，将仍以CCD主流，之下的产品中，将开始以CMOS传感器为主流。业界分析今年底至明年初，将有300万像素的CMOS上市，预测CMOS市场应用超越CCD的时机一般在2004年-2005年。