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1、新型CMOS图像传感器原理及应用Metaloxidesemiconductor(ComplementaryMetal-OxideSemiconductor,CMOS)imagesensorandachargecoupleddevice(ChargeCoupledDevice,CCD)imagingdevicein20yearsagoalmostsimultaneouslystarted.CCDistheapplicationofphotographichigh-endtechnologyelementsinphotography,CMOSis
2、appliedtothelowerimagequalityproducts.TheCCDdevicehastheadvantagesofhighsensitivity,lownoise,light,smallpixels,sointhepast15yearsithasdominatedtheimagesensormarket.Incontrast,CMOSimagesensorpixelexistedinthepast,thesignal-to-noiseratioissmall,lowresolutionoftheseshortcoming
3、s,hasbeenunabletocompeteandCCDtechnology.Butwiththedevelopmentoflarge-scaleintegratedcircuittechnology,thepastmanufacturingaCMOSimagesensorisnoteasytosolveintheprocessoftechnicaldifficultieshavetofindwaystosolvethecorresponding,thusgreatlyimprovestheimagequalityofCMOSimages
4、ensor.金属氧化物半导体元件(ComplementaryMetal-OxideSemiconductor，CMOS)图像传感器和电荷耦合元件(ChargeCoupledDevice，CCD)摄像器件在20年前几乎是同时起步的。CCD是应用在摄影摄像方面的高端技术元件，CMOS则应用于较低影像品质的产品中。由于CCD器件有光照灵敏度高、噪音低、像素小等优点，所以在过去15年里它一直主宰着图像传感器市场。与之相反，CMOS图像传感器过去存在着像素大，信噪比小，分辨率低这些缺点，一直无法和CCD技术抗衡。但是随着大规模集成电路技术的不断发展，过
5、去CMOS图像传感器制造工艺中不易解决的技术难关现已都能找到相应解决的途径，从而大大改善了CMOS图像传感器的图像质量。 一、基本原理 从某一方面来说,CMOS图像传感器在每个像素位置内都有一个放大器,这就使其能在很低的带宽情况下把离散的电荷信号包转换成电压输出,而且也仅需要在帧速率下进行重置。CMOS图像传感器的优点之一就是它具有低的带宽,并增加了信噪比。由于制造工艺的限制,早先的CMOS图像传感器无法将放大器放在像素位置以内。这种被称为PPS的技术,噪声性能很不理想,而且还引来对CMOS图像传感器的种种干扰。 然而今天,随着制作工艺的
6、提高,使在像素内部增加复杂功能的想法成为可能。现在,在像素位置以内已经能增加诸如电子开关、互阻抗放大器和用来降低固定图形噪声的相关双采样保持电路以及消除噪声等多种附加功能。实际上,在Conexant公司（前Rockwell半导体公司）的一台先进的CMOS摄像机所用的CMOS图传感器上,每一个像素中都设计并使用了6个晶体管,测试到的读出噪声只有1均方根电子。不过,随着像素内电路数量的不断增加,留给感光二极管的空间逐渐减少,为了避免这个比例（又称占空因数或填充系数）的下降,一般都使用微透镜,这是因为每个像素位置上的微小透镜都能改变入射光线的方向,
7、使得本来会落到连接点或晶体管上的光线重回到对光敏感的二极管区域。 因为电荷被限制在像素以内,所以CMOS图像传感器的另一个固有的优点就是它的防光晕特性。在像素位置内产生的电压先是被切换到一个纵列的缓冲区内,然后再被传输到输出放大器中,因此不会发生传输过程中的电荷损耗以及随后产生的光晕现象。它的不利因素是每个像素中放大器的阈值电压都有细小的差别,这种不均匀性就会引起固定图像噪声。然而,随着CMOS图像传感器的结构设计和制造工艺的不断改进,这种效应已经得到显著弱化。 这种多功能的集成化,使得许多以前无法应用图像技术的地方现在也变得可行了,如孩
8、子的玩具,更加分散的保安摄像机、嵌入在显示器和膝上型计算机显示器中的摄像机、带相机的移动电路、指纹识别系统、甚至于医学图像上所使用的一次性照相机等,这些都已在某些设
