CMOS成像器件

CMOS成像器件的研究刘志杰马强吕丽君1主要内容一、发展历程介绍二、CMOS成像器件的工作原理三、与CCD成像器件的性能比较四、发展现状五、应用举例2发展历程介绍1.上世纪60年代末期，美国贝尔实验室提出固态成像器件概念：互补金属氧化物半导体图像传感器CMOS—ComplementaryMetalOxideSemiconductor2.70年代初期，随着MOS技术的成熟，CMOS图像传感器在NASA的喷气推进实验室JPL制造成功3.80年代末，英国爱丁堡大学成功试制出了世界第一块单片CMOS型图像传感器件4.1995年像元数为（128×128）的高性能CMOS有源像素图像传感器由喷气推进实验室首先研制成功3发展历程介绍5.1997年英国爱丁堡VLSIVersion公司首次实现了CMOS图像传感器的商品化6.2000年日本东芝公司和美国斯坦福大学采用0.35mm技术开发的CMOS-APS，成为开发超微型CMOS摄像机的主流产品7.2000年9月美国Foveon和国家半导体公司采用0.18mmCMOS工艺开发出1600万像素（4096×4096）CMOS图像传感器目前CMOS已成功占领图像传感器的中低端市场，发展前景广阔4工作原理CMOS图像传感器是一种光电转换系统首先通过光学透镜聚焦来自环境的反射光线，并将它投射于光敏像元阵列上在像元阵列中光信号被转化为电信号，然后通过信号处理电路最后以模拟或数字信号的形式输出5CMOS图像传感器系统架构CMOS图像传感器系统架构图CMOS光敏元阵列6CMOS图像传感器的像素单元结构CMOS像元无源像素(PPS)有源像素(APS)光电二极管型光栅型对数响应型数字像素(DPS)7无源像素(PPS)结构由一个光电二极管和一个MOS管构成。开关选通时，光生电荷传送到列线下端的积分放大器，将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正比8无源像素(PPS)结构结构简单，像素填充率高，量子效率高读出噪声大，不利于向大型阵列发展，不利于提高读出速率9有源像素(APS)结构场效应管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（高）出现时，V1导通，光电二极管被瞬时复位；当复位脉冲消失后，V1截止，光电二极管开始积分光信号。场效应管V2：源极跟随放大器，进行电流放大，信号缓冲。场效应管V3：构成模拟开关，积分结束后，V3管导通，信号输出。10有源像素(APS)结构低读出噪声，高读出速率填充率低（可使用微透镜系列改善），有固定模式噪声11数字像素(DPS)结构数字像素结构是在每个像素单元中集成一个ADC，从而构成庞大的ADC阵列，用于实现对像素输出信号进行量化12数字像素(DPS)结构这种结构的像素单元读出为数字信号，这样其他电路都为数字逻辑，因此数字像素传感器的读出速度极快，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。另外由于它充分利用了数字电路优点，因此它很容易随着CMOS工艺的进步而进行等比例缩小，性能也将很快达到并超过CCD图像传感器.13主要性能指标1、光谱响应特性、量子效率2、填充率(光敏面积/像敏面积）3、输出特性和动态范围4、噪声（1）光敏元噪声：热噪声、散粒噪声、g-r噪声、电流噪声（2）MOS噪声（3）工作噪声：复位噪声、空间噪声14CMOS与CCD图像传感器性能比较主要区别：读出方式不同，每个像元可以被单独选择读出；像元结构不同：每个CMOS像元都有自己的缓冲放大器。15CMOS与CCD图像传感器性能比较与CCD相比较，CMOS图像传感器技术的优势主要表现在：高度集成化实现对像素数据的高速随机访问，X-Y寻址方式单一供电、功耗低（约为CCD的1%）宽光谱灵敏度低成本16CMOS与CCD图像传感器性能比较填充率低，灵敏度低暗电流大17性能指标CMOS图像传感器CCD图像传感器暗电流（PA/M2）电子-电压转换率动态范围响应均匀性读出速度(Mpixels/s)偏置、功耗工艺难度信号输出方式集成度应用范围性价比10－100大略小较差1000小小x－y寻址可随机采样高低端、民用高10略小大好70大大顺序逐个像元输出低高端、军用、研究略低CMOS与CCD图像传感器性能比较18发展现状19生产CMOS图像传感器，比较著名的有：Micron（美光）OmniVision（豪威）Agilent(安捷伦)PixArt(原相)SONY富士国外厂商：20国内的企业武汉喜马拉雅数字成像有限公司上海格科微公司21佳能EOS系列（1DX）约1810万像素的全画幅14张/秒ISO感光度可13个等级61点高密度网状阵列自动对焦10万像素RGB测光感应器，DIGIC5+×2数字影像处理器，约40万次的快门耐久性，视野率约100%，1920×1080像素的全高清画质，传输速度约350Mbps22佳能EOS系列（1DX）有效像素约为1810万像素。感应器有效面积为约36×24毫米。CMOS图像感应器的半导体制造，像素尺寸达到了6.95×6.95微米。通过配置对应不同光线射入角度的无间隙微透镜片，使各个像素都能更有效地进行聚光。新型CMOS图像感应器采用了16通道数据读取，高速读取约1810万像素的庞大数据。23背照式CMOSExmorRCMOS背面照明技术感光元件，改善了传统CMOS感光元件的感光度。ExmorRCMOS采用了和普通方法相反、向没有布线层的一面照射光线的背面照射技术，由于不受金属线路和晶体管的阻碍，填充率（光电转换部分在一个像素中所占的面积比例）可提高至近100%。与其以往1.75μm间隔的表面照射产品相比，背面照射产品在灵敏度（S/N）上具有很大优势24背照式CMOS原理图25产品影像传感器有效像素产品影像传感器有效像素佳能IXUSi5CCD500万佳能EOS-1DXCMOS1810万佳能IXUS75CCD710万尼康COOLPIXS2600CCD1400万佳能IXUS980ISCCD1470万尼康D5100CMOS1620万佳能IXUS115HSCMOS1210万索尼NEX-7CMOS2430万佳能IXUS1100HSCMOS1210万奥林巴斯E-5CMOS1230万部分数码相机产品信息26CCD与CMOS图象传感器出货量（单位：百万颗）27展望市场研究机构ICInsights预测，2011年CMOS图像传感器销售额将取得13％的成长，达到51亿美元规模，在2015年达到76亿美元营收规模。到2015年，CMOS图像传感器将占据整体图像传感器市场的66％。28应用举例CMOS在微小卫星相机方面的应用基于CMOS成像器件的手指静脉图像采集装置29COMS成像器件应用微小卫星要求相机质量小、功耗低、抗辐射能力强CMOS图像传感器具有兼容性好、抗辐射能力强、易单片集成、体积小、质量轻、功耗低等优点，很适合小卫星搭载30CMOS微小卫星相机组成框图31摄影距离18km北京空间机电研究所相机外景效果32基于CMOS成像器件的手指静脉图像采集装置手指静脉识别技术是近年来兴起的一种生物特征识别技术，它利用人的手指内部静脉分布图案唯一性的特点进行个人的身份识别手指静脉图像采集装置的核心是成像器件CMOS成像器件由于价格低廉，外围电路少、体积小、接口方便，尤其具有对近红外敏感的特性，引起研究人员的注意33手指静脉图像采集装置设计手指静脉图像采集装置方案框图整个装置为垂直结构，红外光源在上端，CMOS成像器件在下端。34手指静脉图像采集装置结构装置结构示意图装置实物照片装置实物照片35采集的手指静脉图像36谢谢！37