用戶(hù)定制的CMOS成像器

十年前當人們論述CMOS成像器時(shí)，總要先花費一些篇幅來(lái)比較CMOS和CCD成像器在圖像質(zhì)量和性能上的孰優(yōu)孰劣。近年來(lái)這種比較已經(jīng)不再重要，除了其圖像質(zhì)量已經(jīng)有很大提高的因素以外，在CMOS成像器所深入的許多應用領(lǐng)域，CCD已經(jīng)無(wú)法與之競爭。首先在移動(dòng)電話(huà)的攝像功能上，一顆CMOS成像器單個(gè)SoC芯片，可以集成攝像傳感器和圖像處理功能，芯片直接輸出手機所需的傳輸和顯示圖像數據格式；CMOS成像器芯片的低功耗，與手機上其他芯片簡(jiǎn)單共享單一電源。這些特點(diǎn)對移動(dòng)電話(huà)的系統結構設計是至關(guān)重要的，使得CCD成像器已經(jīng)無(wú)可爭辯地退出了手機攝像應用領(lǐng)域。由于CMOS成像器芯片從引腳上直接輸出數字圖像數據，它可以利用先進(jìn)的10Gbps及以上的極高速數據傳輸標準直接傳輸和切換。結合并行數據傳輸和高密度封裝，這一特點(diǎn)使CMOS成像器在新一代高清晰度數字電視攝像機領(lǐng)域得到廣泛使用，并成為4K以上數字影院級高清晰度攝像機唯一可選方案。

CMOS成像器的優(yōu)勢來(lái)源于其最重要特點(diǎn)：CMOS半導體結構和工藝。這種從七十年代末逐步發(fā)展和完善的半導體技術(shù)，已經(jīng)復蓋了從數字到模擬，從低噪聲的到Giga-bit數據率的IC主流制造。成像傳感器芯片融入這個(gè)主流制造工藝的好處是非常明顯的，首先傳感器可以與數字、模擬電路集成在單顆硅片上。包括圖像傳感器、圖像的模擬信號處理、模擬數字變換ADC、圖像信息的數字信號處理DSP、高速圖像數據總線(xiàn)和數字控制等等，甚至周邊應用電路都可以集成到單顆模擬、數字混合工藝的片上系統SoC-System on Chip上來(lái)。另外一個(gè)重要的特點(diǎn)在于：可以在全球幾乎任何主要的CMOS硅晶元代工廠(chǎng)商進(jìn)行試片和規模生產(chǎn)。這兩個(gè)特點(diǎn)將給圖像電子產(chǎn)品從結構、功能、性能、質(zhì)量和成本上帶來(lái)飛躍的進(jìn)步。最終導致本文標題所指出的結果：CMOS成像器是可以用戶(hù)定制的，它將如同其他模擬和數字ASIC芯片一樣，廣泛應用到帶攝像功能的和目前還是潛在的帶攝像功能的眾多產(chǎn)品和系統中來(lái)。

CMOS成像器最關(guān)鍵的結構就是有源像素傳感器(APS)，其特點(diǎn)是在每一個(gè)像素上都有一組有源電路。通過(guò)這組電路，入射光子在光電二極管PN結上形成的電荷信號，在每一個(gè)像素上就被轉換成模擬電壓信號輸出。這樣一來(lái)通用的CMOS模擬開(kāi)關(guān)和線(xiàn)性放大器，就可以立即切換和處理模擬圖像信號了。不像CCD傳感器那樣，從每一個(gè)像素上輸出的是對應光照的電荷信號，只能用復雜的電荷耦合結構來(lái)轉移傳遞光電圖像信息，而這些電荷耦合結構是無(wú)法與MOS或其他半導體結構簡(jiǎn)單融合，并輕易集成在單一硅片上的。當然APS像素本身，包括光電轉換和有源電路部分，也是很容易用通用的CMOS工藝產(chǎn)生的。

圖2：一個(gè)典型的CMOS成像器芯片示意框圖。

CMOS成像器芯片的核心是一個(gè)二維的傳感器像素陣列，通過(guò)光學(xué)聚集的圖像就成像在這個(gè)平面上。圍繞著(zhù)像素陣列的，是控制曝光和讀出的垂直掃描、列讀出通道和切換開(kāi)關(guān)、圖像信號的模擬數字轉換等部件。還有輸入控制方式數據的串行接口、數據存儲器和控制器。一個(gè)典型的CMOS成像器芯片結構方框示意如圖1，它包含了集成到一顆單硅片上的所有最必要部件。

像素陣列是由排列成行、列的APS像素組成。垂直掃描電路逐行地控制像素陣列的重置、曝光和選擇讀出等操作。每一列像素共享一路輸出，由列讀出放大器讀出，列模擬開(kāi)關(guān)水平掃描切換像素讀出的光電電壓信號。模數轉換ADC把模擬圖像信號轉換成數字圖像數據，由芯片引腳直接輸出數字圖像信號?？刂破魇拐麄€(gè)曝光讀出過(guò)程同步操作運行，曝光讀出模式和參數的設定數據由串口輸入和存儲，再送入控制器控制部件按設定好的控制程序運行。還可以在同一硅片上，集成更多的和更復雜的模擬數字電路結構，如DSP實(shí)現數字圖像處理和數據格式的轉換等功能。

CMOS成像器芯片封裝在一個(gè)帶光學(xué)玻璃窗口的外殼中。窗口開(kāi)設在正對著(zhù)傳感器陣列上方的位置，光學(xué)圖像經(jīng)過(guò)透鏡或透鏡組在傳感器陣列平面上成像。封裝外殼上的引腳輸出數字圖像信息和行列同步信號，輸入操作方式的設置數據，連接電源和模擬參考電壓等等。