CMOS图像传感器地基础与应用方向.pdf

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1、1.图像传感器的历史——从真空摄像管到CCD/CMOS图像传感器1.1图像传感器的诞生在图像传感器出现前，胶片是唯一记录保存图像的工具，而胶片所保存的图像在远距离传输以及后期处理方面存在着难以逾越的障碍。而图像传感器的目的是将拍摄的图像转化为电信号进行远距离传输、保存以及数字化保存和后期处理。那么图像传感器又是何时出现在人们生活中的呢？最早登场的是1923年由V.K.兹沃雷金发明的光电摄像管，它是利用在真空中可自由操作电子运动的性质制作的。如图1.1所示，在真空管中放置的云母板上面涂抹具有光电效应的铯（Cs），光线通过镜头在云母板上成像，此处产生的电荷，经等死放

2、出的电子书进行扫描，取出信号电流。此后，一个又一个的改良感光度的摄像管被发明，如超正析摄像管（1946年），光导摄像管，硒砷碲摄像管，雪崩倍增靶（HARP）摄像管等，逐渐担任产生电视图像的角色。从原理可知，摄像管无法做到接通电源后立即工作，且工作电压高，功耗大，因燃烧寿命短等缺点。在以后的日子里，摄像管会被固态图像传感器取代。1.2固态图像传感器（Solid-StateImageSensor）用于晶体管或者IC得Si（硅）等半导体材料，具有将接受的光转换成电的光电变换性质。如果把单片IC基台的硅基板作为摄影面，并有规则的排列光电二极管（photodiode），然

3、后依次将光电二极管的光电流以某种方式取出，则此基板具有了图像传感器的功能。最早可以产生图像，以像素平面排列的固态图像传感器，其构造与目前的CCD不同。例如发表于1966年的光敏晶体管平面排列的图像传感器；1967年发表了将光电二极管以平面矩阵排列，利用扫描脉冲与MOS晶体管，以XY地址方式取出信号的方法。这种方法虽然实现了实用化，但在与CCD的竞争中失败，成为后来的CMOS传感器的原型。1.3CCD图像传感器1969年，CCD（ChargeCoupledDevice,电荷耦合器件）由美国贝尔实验室的维拉·博伊尔（Willard.S.Boyle）与乔治·史密斯（G

4、eorge.E.Smith）所发明，两位发明者也因此获得了2009年诺贝尔新物理学奖。由于CCD具有储存信号电荷后传输的功能，可广泛应用于内存、显示器、延迟元件等。关键应用的CCD图像传感器，利用了被成为帧转移（FrameTransfer）方式（FT-CCD）的简单构造，于1971年由贝尔实验室发表。从CCD首次发表至今，为了达到实用化进行了众多的研究。早期研究多以构造简单的FT-CCD为主，而目前应用最为广泛的CCD构造一般为IT-CCD（InterlineTransfer行间转移），另外还有一种FIT-CCD（FrameInterlineTransfer帧行

5、间转移）。在信号处理方面，也开发出了抑制CCD内部噪声的相关双采样电路（CDS:CorrelatedDoubleSampling）等。同时，为了弥补增大像素密度，缩小像素尺寸而引起的感光度下降的问题，还开发出了片上微镜头（Micro-Lens）。除CCD外，同期出现的固体传感器还有MOS型图像传感器（CMOS图像传感器原型），CID（ChargeInjectionDevice,电荷注入器件），CPD（ChargePrimingDevice，电荷引发器件）。此外，还有属于CCD之一的CSD（ChargeSweepDevice,电荷扫描器件）。然而在众多的传感器中，

6、实用化的只有CCD与CMOS图像传感器。1.4CMOS图像传感器作为CMOS的原型，旧式的MOS型图像传感器，其像素不具有信号电荷放大功能，故归为PPS（PassivePixelSensor，无源像素传感器）；而如若像素内具有信号放大功能，则为APS（ActivePixelSensor,有源像素传感器），CMOS传感器多为APS。CMOS传感器在20世纪70年代在美国航空航天局（NASA）的喷气推进实验室（JPL）诞生，与CCD几乎同时起步。在发展初期，CMOS一直存在像素尺寸大，信噪比小，分辨率低，灵敏度低，同时有固有噪声（FPN:FixedPatternNo

7、ise）等缺点。而同期的CCD则灵敏度高，噪声低，像素尺寸小，所以长期以来CCD一直主宰图像传感器的市场。2成像系统以及图像传感器组成成像系统的概念2.1成像系统在图像传感器未出现前，传统的成像系统是由镜头，暗箱及胶片组成。光线通过镜头汇聚到处在焦平面的胶片上，使胶片感光（感光材料是卤化银，发生的是化学反应），从而记录下物体发射或反射的光。后期通过将感光后的胶片显影，定影，冲印将记录的图像再现在人们面前。在此成像系统中，镜头的作用是汇聚光线到焦平面，而胶片则完成了受光、感光、图像信息记录；图像再现则是显影、定影、冲印完成。在图像传感器出现后，由于图像传感器的工作

8、是基于物理方式，有别与胶