新型CMOS圖像傳感器原理及設計

金屬氧化物半導體元件(Complementary Metal-Oxide Semiconductor，CMOS)圖像傳感器和電荷耦合元件(Charge Coupled Device，CCD)攝像器件在20年前幾乎是同時起步的。CCD是應用在攝影攝像方面的高端技術元件，CMOS則應用于較低影像品質的產品中。

由于CCD器件有光照靈敏度高、噪音低、像素小等優點，所以在過去15年里它一直主宰著圖像傳感器市場。與之相反，CMOS圖像傳感器過去存在著像素大，信噪比小，分辨率低這些缺點，一直無法和CCD技術抗衡。但是隨著大規模集成電路技術的不斷發展，過去CMOS圖像傳感器制造工藝中不易解決的技術難關現已都能找到相應解決的途徑，從而大大改善了CMOS圖像傳感器的圖像質量。

1 CMOS有源像素傳感器

近來CMOS圖像傳感器受到重視首要原因在于過去大大低于CCD的靈敏度問題逐步得到解決。因為與CCD相比，CMOS傳感器具有更好的量產性，而且容易實現包括其他邏輯電路在內的SoC(System on Chip)產品，而這在CCD中卻很難實現。尤其是CMoS傳感器不像CCD那樣需要特殊的制造工藝，因此可直接使用面向DRAM等大批量產品的生產設備。這樣一來，CMOS圖像傳感器就有可能形成完全不同于CCD圖像傳感器的成本結構。

圖1示出了有源像素CMOS圖像傳感器(ActivePixel Sensor，APS)的功能結構圖，其中成像部分為光敏二極管陣列(Photo Diode Array)。

?

?

四場效應管(4T)有源像素CMOS圖像傳感器的每個像素由光敏二極管、復位管T2、轉移管T1、源跟隨器T3和行選通開關管T4組成，如圖2所示。

?

?

轉移管T1被用來將光敏二極管連接至源跟隨器T3，并通過復位管T2與VDD相連。T3的柵極與T1和T2之間的N+擴散區相連。與3T結構的APS相比，減少了與T3的柵極相關的漏電流效應。源跟隨器T3的作用是實現對信號的放大和緩沖，改善APS的噪聲問題。T4是用來將信號與列總線相連。其工作過程是：首先進入“復位狀態”，T2打開，對光敏二極管復位；然后進入“取樣狀態”，T2關閉，光照射到光敏二極管上產生光生載流子，并通過源跟隨器T3放大輸出；最后進入“讀出狀態”，這時行選通管T4打開，信號通過列總線輸出。

APS具有低讀出噪聲和高讀出速率等優點，但像素單元結構復雜，填充系數降低，填充系數一般只有20％～30％。為了提高像素的填充系數，APS在像素的上方設置了微透鏡(Micro-lenses)，如圖3所示。

?

?

由APS陣列所獲得的圖像信息，經過圖1中列模數轉換器(Column ADC)轉換為數字信號后，再經過一系列的后續處理過程，得到輸出如圖4所示的幀圖像數據結構。

?

?

2 圖像的預處理過程及方法

為了得到良好的圖像質量，需要對所采集的原始圖像數據進行處理。一般上，圖像的預處理是在協處理器中完成的。最近，隨著SoC技術的發展，可以在CMOS傳感器中集成圖像預處理功能．這正顯示了CMOS圖像傳感器的優勢所在。

圖像的預處理主要包括了缺陷修正、去除FPN噪聲、色彩差值，圖像銳化差值、光圈修正、Gamma修正等一系列處理。

通過數字圖像處理算法來實現來實現上述的圖像預處理過程，其硬件平臺可以是集成在SoC中的圖像處理電路、ASIC圖像處理芯片，或通用的DSP芯片。首先是消除圖像中的缺陷，如果某一個像素中有缺陷，而導致了其輸出電平被鉗位于高電乎(黑點)或低電平(白點)，就需要通過圖像處理來進行彌補。通常是使用其周圍相同顏色像素的平均值來代替該像素的輸出值。

通常情況下，不同列的列模／數轉換器存在著差異，這就導致了固定模式噪聲(fixed Pattern Noise，FPN)的產生。圖4中Black Lines中的數據就是用來消除FPN的。協處理器會利用這一部分數據來達到消除FPN的目的。

由于每個像素上為某種彩色濾光片，所以要通過色彩差值來得到其余兩種色彩信息。Gamma修正是為了消除在電學器件和光學器件之間在信號傳輸上的非線性效應。

從以上的圖像處理過程可知，許多算法中使用了差值，這就導致了圖像的平滑化，而為了恢復銳利的圖像，就需要進行光圈修正。在圖像處理中，通過邊緣檢測而得到的銳化邊緣對差值后的平滑圖像進行卷積，從而得到銳利的圖像。

3 結 語

為了提高CMOS圖像傳感器的圖像質量，通過對圖像主要的噪聲源以及圖像失真的分析，本文提出了一種新型的CMOS有源像素圖像傳感器。該CMOS圖像傳感器使用4T有源像素，大大提高了圖像傳感器的靈敏度。通過在傳感器中集成圖像預處理功能，對改善圖像的質量起到了很好的效果。