1．引言

CMOS（ComplementaryMetalOxideSemiconductor，互补金属氧化物半导体）图像传感器是利用CMOS工艺制造的图像传感器，主要利用了半导体的光电效应，和电荷耦合器件（CCD）图像传感器的原理相同。

自从上世纪60年代末期，CMOS图像传感器与CCD图像传感器的研究几乎同时起步，但由于受当时工艺水平的限制，CMOS图像传感器图像质量差、分辨率低、噪声降不下来和光照灵敏度不够[1]，因而没有得到重视和发展。而CCD器件因为有光照灵敏度高、噪音低、像素少等优点一直主宰着图像传感器市场[2]。由于集成电路设计技术和工艺水平的提高，CMOS图像传感器过去存在的缺点，现在都可以找到办法克服，而且它固有的优点更是CCD器件所无法比拟的，因而它再次成为研究的热点。

2．基本原理

CMOS型和CCD型固态图像传感器在光检测方面都利用了硅的光电效应原理，不同点在于像素光生电荷的读出方式。CMOS图像传感器工作原理如图1所示[3]。根据像素的不同结构，CMOS图像传感器可以分为无源像素被动式传感器（PPS）和有源像素主动式传感器（APS）。根据光生电荷的不同产生方式APS又分为光敏二极管型、光栅型和对数响应型，现在又提出了DPS(digitalpixelsensor)概念。

（1）无源像素被动式传感器（PPS）

PPS的像素结构包含一个光电二极管和一个场效应管开关V，其像素结构如图2所示，图3为信号时序图。当V选通时，光电二极管中由于光照产生的电荷传送到了列选择线，然后列选择线下端的积分放大器将该信号转化为电压输出，光电二极管中产生的电荷与光信号成一定的比例关系。无源像素具有单元结构简单、寻址简单、填充系数高、量子效率高等优点，但它灵敏度低、读出噪声大。因此PPS不利于向大型阵列发展，所以限制了应用，很快被APS代替。

（2）有源像素主动式传感器（APS）

APS像素结构的基本电路如图4所示。从图上可以看出，场效应管V1构成光电二极管的负载，它的栅极接在复位信号线上，当复位脉冲出现时，V1导通，光电二极管被瞬时复位；而当复位脉冲消失后，V1截止，光电二极管开始积分光信号。图5为上述过程的时序图，其中，复位脉冲首先来到，V1导通，光电二极管复位；复位脉冲消失后，光电二极管进行积分；积分结束后，V3管导通，信号输出。

（3）数字像素图像传感器（DPS）

上面提到的无源像素传感器和器和有源像素传感器的像素读出均为模拟信号，于是它们又通称为模拟像素传感器。近年来，美国斯坦福大学提出了一种新的CMOS图像传感器结构一数字像素传感器（DPS），在像素单元里集成了ADC（Analog-to-DigitalConvertor）和存储单元[4]。由于这种结构的像素单元读出为数字信号，其它电路都为数字逻辑电路，因此数字像素传感器的读出速度极快，具有电子快门的效果，非常适合高速应用，而且它不像读出模拟信号的过程，不存在器件噪声对其产生干扰。另外，由于DPS充分利用了数字电路的优点，因

此易于随着CMOS工艺的进步而提高解析度，性能也将很快达到并超过CCD图像传感器，并且实现系统的单片集成。

3．性能指标[5]

CMOS图像传感器与CCD图像传感器相比，具有功耗低、摄像系统尺寸小、可将信号处理电路与MOS图像传感器集成在一个芯片上等优点。但其图像质量（特别是低亮度环境下）与系统灵活性与CCD相比相对较低。表1列出CCD与CMOS图像传感器的特点，从表中可见CMOS与CCD图像传感器各有特点，二者互为补充，不会出现谁消灭谁的结局)，在可预见的未来将并存发展，共同繁荣图像传感器市场。

（1）传感器尺寸

CMOS图像传感器的尺寸越大,则成像系统的尺寸越大。目前,CMOS图像传感器的常见尺寸有1英寸、2/3英寸、1/2英寸、1/3英寸、1/4英寸等。

（2）像素总数和有效像素数

像素总数是衡量CMOS图像传感器的主要技术指标之一。CMOS图像传感器的总体像素中被用来进行有效的光电转换并输出图像信号的像素为有效像素。显而易见,有效像素总数隶属于像素总数集合。有效像素数目直接决定了CMOS图像传感器的分辨能力。

（3）最小照度

最小照度是指在使用最大光圈增益、摄取特定目标时视频信号输出幅度为100IRE所对应的入射光的最小值。

（4）动态范围

动态范围由CMOS图像传感器的信号处理能力和噪声决定,反映了CMOS图像传感器的工作范围。参照CCD的动态范围,其数值是输出端的信号峰值电压与均方根噪声电压之比,通常用DB表示。

（5）灵敏度

图像传感器对入射光功率的响应能力被称为响应度。对于CMOS图像传感器来说,通常采用电流灵敏度来反映响应能力,电流灵敏度也就是单位光功率所产生的信号电流。

（6）分辨力

分辨力是指CMOS图像传感器对景物中明暗细节的分辨能力。通常用调制传递函数(MTF)来表示,同时也可以用空间频率(lp/mm)来表示。

（7）光电响应不均匀性

CMOS图像传感器是离散采样型成像器件,光电响应不均匀性定义为CMOS图像传感器在标准的均匀照明条件下,各个像元的固定噪声电压峰峰值与信号电压的比值。

（8）光谱响应特性

CMOS图像传感器的信号电压Vs和信号电流Is是入射光波长λ的函数。光谱响应特性就是指CMOS图像传感器的响应能力随波长的变化关系,它决定了CMOS图像传感器的光谱范围。

4．关键技术问题及解决途径^[6]

5．（1）暗电流

暗电流是CMOS图像传感器的难题之一。CMOS成像器件均有较大的像

素尺寸，因此，在正常范围内也会产生一定的暗电流。暗电流限制了器件的灵敏度和动态范围。通过改进CMOS工艺，降低温度，压缩结面积，可降低暗电流的发生率，也可通过提高帧速率来缩短暗电流的汇集时间，从而减弱暗电流的影响。

（2）噪声

噪声的大小直接影响CMOS图像传感器对信号的采集和处理，因此,如何提高信噪比是CMOS图像传感器的关键技术之一。噪声主要包括散粒噪声、热噪声、1/f噪声、非均匀噪声和固定模式噪声。采取以下措施可抑制噪声和提高灵敏度：a.采用减少失调的独特电路，使用制造更加稳定的晶体管专用工艺；b.每个像元内含一个对各种变化灵敏度相对较低的放大器；c.借鉴CCD图像传感器的制备技术，采用相关双取样电路技术和微透镜阵列技术；d.光敏二极管设计成针形结构或掩埋形结构。

（3）填充系数

CMOS图像传感器的填充系数一般在20%~30%之间，而CCD图像传感器则高达80%以上，这主要是由于CMOS图像传感器的像素中集成了读出电路。采用微透镜阵列结构，在整个CMOS有源像素传感器的像元上放置一个微透镜将光集中到有效面积上，可以大幅度提高灵敏度和填充系数。

（4）动态范围

动态范围是反映图像传感器性能的主要指标之一。目前CMOS图像传感器的动态范围还稍逊于CCD，虽然对数响应型CMOS图像传感器的动态范围可达140dB，但同时也增加了图像噪声，影响了图像质量提高动态范围的方法之一就是利用PECVD超高真空系统以及专用集成电路（ASIC）薄膜技术，改进光电二极管的材料组合，提高低灰度部位的感光度来提高动态范围。

5．研究进展

视频便携式摄像机、掌上电脑、PDA和保安设备的巨大需求推动了CMOS图像传感器的广泛应用。其中以APS发展最为迅速，过去工艺中各种不易解决的技术问题现在都能找到相应的解决办法，图像质量得到大大改善，像素规模已由最初的几万像素发展到现在的几百万上千万像素。CDS电路，技术彩色滤波器阵列技术，数字信号处理（DSP）技术，噪声抑制技术不断有新突破，目前CMOS传感器大都采用0.35mm或0.5mm的CMOS制造工艺，CMOS单元面积上的像素数已与CCD相当，因此可基本达到CCD器件的高分辨率。

目前CMOS图像传感器主要朝着高分辨率、高动态范围、高灵敏度、超微型化、数字化、多功能化的方向发展。随着CMOS图像传感器技术的完善和发展，它的应用范围也会不断拓宽，全球CMOS图像传感器销售量将逐年大幅度增长。