CMOS图像传感器的商业化发展

王 高 周汉昌

摘 要：随着超大规模集成技术的发展，CMOS图像传感器显示出强劲的发展趋势。CMOS 图像传感器可在单芯片内集成时序和控制电路、A/D转换、信号处理等功能。本文简单介绍了CMOS图像传感器的背景，分析了CMOS 图像传感器和 CCD 图像传感器的优缺点，综述了目前CMOS图像传感器的研究进展。
关键词：CMOS图像传感器； 动态范围； 灵敏度
中图分类号：TP212.14    文献标识码：A 

一、前言
    自 60 年代末期美国贝尔实验室开发出固态成像器件和一维CCD 模型器件以来，CCD 在图像传感、信号处理、数字存储等方面发展迅速。随着CCD器件的广泛应用，其缺点逐渐显露出来。为此，人们又开发了另外几种固态图像传感器，其中最有发展潜力的是采用标准CMOS制造工艺制造的CMOS图像传感器。
    实际上早在70 年代初，国外就已经开发出CMOS 图像传感器，但成像质量不如CCD，因而一直无法与之相抗衡。90 年代初期，随着超大规模集成技术的飞速发展，CMOS 图像传感器可在单芯片内集成A/D转换、信号处理、自动增益控制、精密放大和存储等功能，大大减小了系统复杂性，降低了成本，因而显示出强劲的发展势头。此外， 它还具有低功耗、单电源、低工作电压(3V～5 V)、成品率高，可对局部像元随机访问等突出优点。因此，CMOS图像传感器重新成为研究、开发的热点，发展极其迅猛，目前已占据低、中分辨领域。现在，CMOS图像传感器的一些参数性能指标已达到或超过 CCD 。

二、CCD 与 CMOS 的比较
        1、成像过程
       CCD 和 CMOS 使用相同的光敏材料，因而受光后产生电子的基本原理相同，但是读取过程不同：CCD 是在同步信号和时钟信号的配合下以帧或行的方式转移，整个电路非常复杂，读出速率慢；CMOS 则以类似 DRAM 的方式读出信号，电路简单，读出速率高。

2、集成度
    采用特殊技术的CCD读出电路比较复杂，很难将A/D转换、信号处理、自动增益控制、精密放大和存储功能集成到一块芯片上，一般需要 3～8 个芯片组合实现，同时还需要一个多通道非标准供电电压。借助于大规模集成制造工艺，CMOS 图像传感器能非常容易地把上述功能集成到单一芯片上，多数CMOS图像传感器同时具有模拟和数字输出信号。

3、电源、功耗和体积
       CCD 需多种电源供电，功耗较大，体积也比较大。CMOS 只需一个单电源(3V~5 V)供电，其功耗相当于 CCD 的 1/10，高度集成CMOS 芯片可以做的相当小。

4、性能指标
    CCD 技术已经相当成熟，而 CMOS 正处于蓬勃发展时期，虽然目前高端 CMOS图像质量暂时不如CCD，但有些指标（如传输速率等方面）已超过CCD。由于CMOS具有诸多优点，国内外许多机构已经应用CMOS图像传感器开发出众多产品。本文主要介绍已商品化的CMOS 图像传感器的发展现状以及最新发展动态，希望对下游产品的开发有所帮助。

 

三、CMOS的商业化产品
    CMOS图像传感器的迅速发展并商业化得益于成熟的CMOS工艺，目前国外诸多公司和科研机构已经开发出不同光学格式、多种类型的CMOS图像传感器，并将其应用于光谱学、X射线检测、天文学（观测研究）、空间探测、国防、医学、工业等不同的领域。
    1997年成立的美国Foveon公司于2003年推出了产品代号分别为F7X3-C9110、 F19X3-A50的全色CMOS图像传感器。F7X3-C9110的有效像素为2268 × 1512，具有像素可变、超低功耗（50 mW）、低噪声、抗模糊等特点。该传感器已被用在日本Sigma SD10单反数码相机上，该相机在低照度条件下积分时间可达30s。F19X3-A50除具有上述特点外，片上还具有高达40MHz的12位A/D转换器和集成数字处理器。由于采用独特的X3技术，该CMOS图像传感器感光阵列可在一个像元位置同时获得红、绿、蓝三种颜色信号。配置了这款图像传感器的数码产品主要面向专业摄影师、业余摄影爱好者等消费群体。据报道，美国Foveon和国家半导体公司合作，采用0.18μm CMOS工艺首次开发成功了1600万像素（4096×4096）CMOS图像传感器，这是迄今为止全球集成度最高的CMOS图像传感器，像元尺寸为5mm×5mm，芯片尺寸为22mm×22mm。
    美国Silicon Video（SVI）公司主要面向高清晰度数字电视、高清晰度数字电影及广播等领域，该公司于2003年6月收购Photon Vision Systems (PVS) 公司后，使用PVS独特的有源列传感专利技术（ACS）已制造出LIS-1024、ELIS-1024及SLIS-2048线阵CMOS图像传感器和具有低暗电流、高灵敏度和扫描速度的3840× 2192像素面阵单片CMOS成像系统。有源列传感专利技术（ACS）可降低放大器固定图案噪声，增加填充系数，提高灵敏度和动态范围及提高扫描速度。SLIS-2048线阵CMOS图像传感器灵敏度为5μV/e，扫描频率为60MHz， 填充系数>99%，动态范围为63 dB。目前该公司正在开发用于便携设备的超低功耗RPLIS-2048线阵CMOS图像传感器。
    美国Micro公司推出像素分别为252×288、640×480、382×288和1280×1024的面阵光敏二极管图像传感器，其中像素为1280×1024的MT9M413的读出速率达660MB/s，可用于高级机器视觉系统及高速成像系统。如果以1280×128面阵的形式传输数据，则最高读出速率可达4,000 fps。
    瑞士STMicroelectronics（ST）能提供352×288的VV5411/VV6411和640×480的彩色VV6501、VV6502、VS6552光敏二极管CMOS图像传感器，其图像质量、噪声和灵敏度接近或超过相应像素的CCD， 在反光晕、体积、功耗方面优于CCD。传感器采用I²C总线并具有集成透镜、10位A/D转换器，还可外触发。该公司还提供相应的开发板及处理器，其低端产品面向玩具市场和安全监测，高端产品可用于数码相机、移动通信、机器视觉及生物医学等领域。
    美国Biomorphic VLSI报道了该公司生产的640×480像素Bi8603和Bi8631、1280×1024像素Bi8831、1600 ×1400像素Bi8891彩色面阵CMOS图像传感器。由于拥有了高性能模拟混合信号处理技术、先进的数字信号处理结构、领先的边沿图像处理技术以及基于生物机体的信息处理结构等技术，由该公司传感器构成的成像系统在交通监测、航线跟踪、目标获取和拦截等领域都收到良好的应用效果。
    美国安捷伦科技（Agilent Technologies）宣布推出全新系列352×288像素ADCS-1021和640×480像素ADCS-2021 彩色CMOS图像传感器和352×288像素ADCS-1121和640×480像素ADCS-2121单色CMOS图像传感器。与以往的产品相比，这些小型传感器的体积减小了25%，表面封装的厚度降低了50%，可以为家用和工控数码相机提供结构更加紧凑、成本更低的解决方案。彩色图像传感器特别适用于数码相机、手机和PDA使用的可拆卸相机以及数码静止及双模相机。单色图像传感器则为生物检测（识别如指纹的个体特征）、监控和安全、机器视觉和条码扫描仪提供了理想之选。批量订购每片ADCS-1021 或ADCS-1121 不超过5美元，单购每片ADCS-2021或ADCS-2121不超过7美元。

以生产高性能CCD而著称的日本美国Kodak公司采用其自有的针孔二极管像素技术推出640×480像素的KAC-031及1280×1024像素的 KAC-1310CMOS 图像传感器，并为专业摄影者以及有较高要求的业余摄影者提供有4536×3024像素CMOS传感器的DCS相机。
    1997年成立的美国Peripheral Imaging (PIC)公司生产的1×256、1×512 和1×1024线阵光敏二极管CMOS图像传感器在紫外至近红外光谱范围都有很好的响应，可广泛应用在光谱学、单色仪和光谱摄制仪等方面。由线阵CMOS图像传感器构成的Contract Image Sensor(CIS)接触式传感器已广泛应用到条形码扫描、复印机、传真机及扫描仪等设备上。
    1997年成立的比利时Fill Factory公司已开发出1280×1024像素IBIS4-1300 、2210×3002像素IBIS46600、1280×1024像素IBIS14000、1280×1024像素IBIS5-1300、1280×1024像素FUGA1000、1280×1024像素LUPA1300、2048×2048像素LUPA4000、512×512 像素STAR250、1024×1024像素STAR1000单色CMOS图像传感器。由于采用n阱像素结构（美国专利6,225,670），极大地提高了传感器的灵敏度，同时使用的一种称为双斜线行转移模式的技术可使传感器动态范围达到76dB，其中LUPA1300传输速率达450f/s， 可用于高速成像领域。
    加拿大DALSA拥有独特的CMOS 芯片设计和生产技术，其产品遍布世界各地，是世界上最完备的图像产品供应商之一。加拿大DALSA 公司推出 1024×1024像素DS-1x-01M28、1024×1024像素DS-21-001M0150、1024×1024像素DS-2x-01M75、640×480像素IA-G1-VGA 面阵CMOS 图像传感器。其采用LINLOG技术可使传感器动态范围高达120dB，通过调整分辨率桢频可达100,000 f/s，IA-G1-VGA的数据传输速率可达800MB/s，可用于生命科学研究、数码相机，而且特别适宜用在诸如焊接、切割监测、机器人技术及交通管理等光线强度变化大的场合。
    美国Omnivision公司开发的 CMOS 图像传感器系列产品有1600×1200像素的OV2000、OV5000、OV6000、OV7000，800×600像素OV8000，1280×1024像素OV9000等多种系列黑白或彩色图像传感器。其产品既有模拟输出又有数字输出，OV7000系列及OV8000部分产品数字输出可达16bit，OV2610像素达到1600×1200。
    体积小、重量轻、功耗低的CMOS 图像传感器在航空航天领域更是独树一帜，多年来致力于航空航天事业的美国JPL将CMOS 图像传感器用于测量气体泄露的光谱仪上，效果显著。
    90年起就开始研究CMOS 图像传感器的Canon公司成功开发出325万像素（2226×1460）CMOS图像传感器。这款图像传感器像素颗粒尺寸为10.5μm×10.5μm，芯片尺寸为15.1mm×22.7mm。Canon公司用该器件成功组装了EOS-D30型CMOS单反数码相机。
    美国Motorola 已推出针孔光敏管式1280×1024像素MCM20027和668×488像素MCM20114等集成了时序电路、控制电路、A/D转换等功能的单片CMOS 图像传感器，该传感器具有I²C接口，光敏单元前有增大灵敏度的透镜阵列。
    日本富士通(Fujitsu)公司推出CMOS图像传感器为MB86S02和MB86S03，它内置了该公司专利kTC消噪电路，可降低反馈噪声，提高光线敏感度，从而使用户可在低强度光源下拍照。
    韩国现代也已推出648×488像素的HV7131E1、362×298像素的HYCA2、652x488像素的HYCA3、414×314像素的HB7121B、800×600像素的HV7141D等多种格式CMOS图像传感器。
    国内众多科研院所及公司都开展了CMOS图像传感器的研制和应用系统开发工作，并取得了一定的成绩。西安交通大学开元微电子科技有限公司已研制成功了369×287、768×574、640×480、512×512像素CMOS图像传感器，并且用该器件开发出了M-N型系列CMOS微型摄像机和可视电话。北京中星科技有限公司在推出30万像素CMOS数码相机的基础上，2001年3月开发出具有自主知识产权及国际一流水准的百万级CMOS数码图像处理芯片“星光一号”。2001年5月该芯片实现产业化并投入国际市场，并为三星、飞利浦和富士通等国际知名品牌视频摄像头所采用。2002年5月22日中星科技有限公司的微型数码相机用单芯片CMOS图像处理芯片被列为北京市重大高新技术成果转化项目。2002年9月5日该公司又研制成功了我国第一枚具有世界领先水平的发声图像处理芯片“星光二号”，该芯片首次将音频和视频固化一体并同步工作。
    近年来，中国台湾的许多公司发展较快，并已在国际市场占有一席之地。成立于1997年的台湾宜霖科技（ElecVision Inc.）采用其非同步随机访问CMOS成像技术（Asynchronous Random-Access MOS Image Sensor）推出176×144像素 EVS25K、352×288像素EVS100K、352×290像素EVS100K 511×492像素EVS250K黑白和彩色图像传感器及644×484像素EVS330K黑白和彩色图像有源像素CMOS图像传感器。近期还将推出1280×1024像素EVS1300KCMOS图像传感器。台湾联华电子公司以0.35μm工艺生产1664×1286像素、0.25μm生产1728×1296像素应用于高端数码相机的CMOS图像传感器。台湾泰视科技的CMOS图像传感器包括：CIF、VGA、百万像素产品，可用在多种领域，如：电脑相机、移动电话、PDA、玩具产品、监视器、影像电话等
    总的来说CMOS 图像传感器主要朝着高分辨率(4096×4096)、高动态范围（120dB）、高灵敏度、超微型化、低功耗、数字化、多功能化、高度集成化的方向发展。国内厂家产品的技术水平与国外发达国家相比差距较大，因此加大大规模集成电路工艺的研发力度，优化CMOS图像传感器的电路设计，缩短与发达国家的差距刻不容缓。

 

四、结论
    世界上只有为数不多的几家公司拥有成熟的CCD技术，而CMOS图像传感器采用标准的半导体制造工艺，因此几乎所有拥有这种制造工艺的厂商都可以生产CMOS图像传感器， 从而竞争将使价格下降。象美国Kodak，加拿大DALSA这样的公司，同时具有生产CCD和CMOS图像传感器的技术，才能在日益激烈的竞争中占有稳定的市场份额。总之，CCD 将以其高质量的图像仍在工业、科学研究及医学领域占领主要市场，而CMOS则以其高集成度、低功耗、体积小、成本低、对紫外到近红外光有很好的响应、高达100%的填充系数、非破坏性读出、高动态范围、自扫描、单片相机系统、随机访问、有的甚至对X射线也有较好的响应等优点完全占领PC终端、玩具、传真机、安检等应用领域并将在诸如航天这一对功耗、体积、质量、抗辐射尤为关注的领域占一席之地。

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Review Of Current Developments And Trends Of CMOS Image Sensors

Abstract: With the development of VLSI, CMOS image sensor has developed increasingly. The CMOS APS technology allows the integration of timing and control electronics, imaging detector arrays, signal chains and analog-to-digital conversion on a single integrated circuit. The background is briefly described. The tradeoffs between CMOS and CCD are analyzed. The current developments and trends of CMOS image sensors are reviewed.

Keywords: CMOS image sensors; dynamic range; sensitivity

作者简介：
王高， 山西省太原市华北工学院仪器科学与动态测试技术教育部重点实验室讲师，研究方向为激光器、光纤、 CCD及CMOS图像传感器等，发表学术论文多篇。
通讯地址：山西省太原市华北工学院仪器科学与动态测试技术教育部重点实验室     邮编： 030051
电话： [phone] E-mail：[e-mail]      

 

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。