扩展光谱灵敏度和提高分辨率是大趋势 - 什么是CMOS传感器 ？

　　扩展光谱灵敏度和提高分辨率是大趋势

　　在现代CMOS图像传感器中，一个重要的发展趋势是其光谱灵敏度扩展到了近红外区NIR（至约1，100nm的波长）。配备了IM-001 CMOS图像传感器的汽车应用将改善雾穿透力和夜视能力。由于工业图像捕获技术开始运用更多波长位于NIR之中的光源，而且生物技术也在利用该光谱区域中的有趣现象，因此，新开发的IBIS 5-AE-1300传感器具有700～900nm的NIR灵敏度。

　　在面向消费应用的图像捕获技术中，另一个发展趋势是继续提高分辨率。到2005年年中，70%左右的手机相机已具有VGA格式分辨率（640×480像素）；但随后的2006年，几百万像素的传感器就将占领50%的市场份额，而到2008年，其市场占有率预计将进一步攀升至90%以上。为此，赛普拉斯公司开发了一种用于蜂窝电话的300万像素图像传感器，该产品采用了Autobrite技术，可进行12位模拟/数字转换，并提供了72dB的宽广动态范围，而目前市面上的10位模拟/数字转换器的动态范围仅为60dB。逐行扫描模式中的帧速率高达30帧/秒，因而可录制实况视频节目。

　　在工业和商业领域中，这种发展趋势也很明显：赛普拉斯已推出一款用于Kodak数码相机的1，300万像素/35mm图像传感器，另外，660万像素的IBIS 4-6600传感器正在一种面向弱视人群的自动阅读辅助装置中证明自己的卓越品质－－它可在一幅完整的标准A4页面上提供出色的分辨率。

　　凭借技术实现系统集成 由于蜂窝电话、数码相机、MP3播放机和PDA等传统分离型功能设备的加速数字融合（即成为一部紧凑的消费型电子产品），导致人们越来越希望至少具有部分自主性的子系统能够在一部设备中提供极为宽泛的功能。这种趋势还将对专业测量技术产生影响：利用包含一个数码相机、PDA用户接口和WLAN联网能力的便携式检验工具，光测试和监视的应用范围将得到有效的拓展。作为一种平台技术，CMOS符合这一发展潮流：CCD图像转换器仍然需要采用外部逻辑电路来实现控制和模拟/数字转换功能，而CMOS标准逻辑器件则能够把传感器、控制器、转换器和评估逻辑电路等全部集成到一块芯片之中。

　　一个典型的例子如专门针对要求苛刻的消费应用而制作的CYIWCSC1300AA芯片的图像捕获电路。它基于130万像素图像传感器CYIWOSC1300AA 和一个用于提供误差插补、黑电平调整、透镜校正、信号互串校正、彩色马赛克修补、彩色校正、自动曝光、噪声抑制、特效和γ校正等等诸多功能的附加信号处理器。集成更多的系统功能（一直到自主型光电传感器系统）是可行的，这主要取决于诸如市场容量和开发成本等经济目标和限制因素。

　　IMS Research公司的资深市场分析家John Morse指出：“工业图像处理市场的变化非常快，不光是在技术层面上，而且还涉及近期发生的制造商合并事件。我们认为这种趋势还将继续下去。”果真如此，那么这同样适用于赛普拉斯公司：通过收购MIT（美国麻省理工学院）于1999年成立的SMal Camera Technologies公司，赛普拉斯已将其业务触角延伸到了消费和汽车领域；而兼并FillFactory（这是一家于1999年从总部位于比利时Leuven的著名欧洲微电子和纳米技术研究中心IMEC抽资脱离而成的公司）则使赛普拉斯进一步跻身工业领域。

　　CMOS图像传感器市场正在蓬勃发展之中，即将成为一个大规模市场。它在很大程度上仍然依赖于客户专用设计来满足规格和系统集成方面的一组定制要求。不过，它将越来越多地提供通用的标准解决方案。分辨率、帧速率和灵敏度的提高以及成本的下降正使其应用领域不断地扩大。要的一环。

　　像素结构

　　CMOS传感器按为像素结构分被动式与主动式两种。

　　被动式像素结构

　　被动式像素结构（Passive Pixel Sensor.简称PPS），又叫无源式。它由一个反向偏置的光敏二极管和一个开关管构成。光敏二极管本质上是一个由P型半导体和N型半导体组成的PN结，它可等效为一个反向偏置的二极管和一个MOS电容并联。当开关管开启时，光敏二极管与垂直的列线（Column bus）连通。位于列线末端的电荷积分放大器读出电路（Charge integrating amplifier）保持列线电压为一常数，当光敏二极管存贮的信号电荷被读出时，其电压被复位到列线电压水平，与此同时，与光信号成正比的电荷由电荷积分放大器转换为电荷输出。

　　主动式像素结构

　　主动式像素结构（Active Pixel Sensor.简称APS），又叫有源式，如图2所示。 几乎在CMOS PPS像素结构发明的同时，人们很快认识到在像素内引入缓冲器或放大器可以改善像素的性能，在CMOS APS中每一像素内都有自己的放大器。集成在表面的放大晶体管减少了像素元件的有效表面积，降低了“封装密度”，使40%～50%的入射光被反射。这种传感器的另一个问题是，如何使传感器的多通道放大器之间有较好的匹配，这可以通过降低残余水平的固定图形噪声较好地实现。由于CMOS APS像素内的每个放大器仅在此读出期间被激发，所以CMOS APS的功耗比CCD图像传感器的还小。

　　填充因数与量子效率

　　这填充因数（Fill Factor），又叫充满因数，它指像素上的光电二极管相对于像素表面的大小。量子效率（Quantun efficiency）是指一个像素被光子撞击后实际和理论最大值电子数的归一化值。被动式像素结构的电荷填充因数通常可达到70%，因此量子效率高。但光电二极管积累的电荷通常很小，很易受到杂波干扰。再说像素内部又没有信号放大器，只依赖垂直总线终端放大器，因而读出的信号杂波很大，其S/N比低，更因不同位置的像素杂波大小不一样（固定图形噪波FPN）而影响整个图像的质量。而主动性像素结构与被动式相比，它在每个像素处增加了一个放大器，可以将光电二极管积累的电荷转换成电压进行放大，大大提高了S/N比，从而提高了传输过程中抗干扰的能力。但由于放大器占据了过多的像素面积，因而它的填充因数相对较低，一般在25%-35%之间。