用戶定制的CMOS成像器

十年前當(dāng)人們論述CMOS成像器時(shí)，總要先花費(fèi)一些篇幅來比較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(yīng)用領(lǐng)域，CCD已經(jīng)無法與之競爭。首先在移動(dòng)電話的攝像功能上，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(jī)所需的傳輸和顯示圖像數(shù)據(jù)格式；CMOS成像器芯片的低功耗，與手機(jī)上其他芯片簡單共享單一電源。這些特點(diǎn)對移動(dòng)電話的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的，使得CCD成像器已經(jīng)無可爭辯地退出了手機(jī)攝像應(yīng)用領(lǐng)域。由于CMOS成像器芯片從引腳上直接輸出數(shù)字圖像數(shù)據(jù)，它可以利用先進(jìn)的10Gbps及以上的極高速數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)直接傳輸和切換。結(jié)合并行數(shù)據(jù)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(shù)字電視攝像機(jī)領(lǐng)域得到廣泛使用，并成為4K以上數(shù)字影院級(jí)高清晰度攝像機(jī)唯一可選方案。

CMOS成像器的優(yōu)勢來源于其最重要特點(diǎn)：CMOS半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)和工藝。這種從七十年代末逐步發(fā)展和完善的半導(dǎo)體技術(shù)，已經(jīng)復(fù)蓋了從數(shù)字到模擬，從低噪聲的到Giga-bit數(shù)據(jù)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(shù)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(hào)處理、模擬數(shù)字變換ADC、圖像信息的數(shù)字信號(hào)處理DSP、高速圖像數(shù)據(jù)總線和數(shù)字控制等等，甚至周邊應(yīng)用電路都可以集成到單顆模擬、數(shù)字混合工藝的片上系統(tǒng)SoC-System on Chip上來。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硅晶元代工廠商進(jìn)行試片和規(guī)模生產(chǎn)。這兩個(gè)特點(diǎn)將給圖像電子產(chǎn)品從結(jié)構(gòu)、功能、性能、質(zhì)量和成本上帶來飛躍的進(jìn)步。最終導(dǎo)致本文標(biāo)題所指出的結(jié)果：CMOS成像器是可以用戶定制的，它將如同其他模擬和數(shù)字ASIC芯片一樣，廣泛應(yīng)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(tǒng)中來。

CMOS成像器最關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)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。通過這組電路，入射光子在光電二極管PN結(jié)上形成的電荷信號(hào)，在每一個(gè)像素上就被轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號(hào)輸出。這樣一來通用的CMOS模擬開關(guān)和線性放大器，就可以立即切換和處理模擬圖像信號(hào)了。不像CCD傳感器那樣，從每一個(gè)像素上輸出的是對應(yīng)光照的電荷信號(hào)，只能用復(fù)雜的電荷耦合結(jié)構(gòu)來轉(zhuǎn)移傳遞光電圖像信息，而這些電荷耦合結(jié)構(gòu)是無法與MOS或其他半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)簡單融合，并輕易集成在單一硅片上的。當(dāng)然APS像素本身，包括光電轉(zhuǎn)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，通過光學(xué)聚集的圖像就成像在這個(gè)平面上。圍繞著像素陣列的，是控制曝光和讀出的垂直掃描、列讀出通道和切換開關(guān)、圖像信號(hào)的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換等部件。還有輸入控制方式數(shù)據(jù)的串行接口、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和控制器。一個(gè)典型的CMOS成像器芯片結(jié)構(gòu)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，列模擬開關(guān)水平掃描切換像素讀出的光電電壓信號(hào)。模數(shù)轉(zhuǎn)換ADC把模擬圖像信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像數(shù)據(jù)，由芯片引腳直接輸出數(shù)字圖像信號(hào)?？刂破魇拐麄€(gè)曝光讀出過程同步操作運(yùn)行，曝光讀出模式和參數(shù)的設(shè)定數(shù)據(jù)由串口輸入和存儲(chǔ)，再送入控制器控制部件按設(shè)定好的控制程序運(yùn)行。還可以在同一硅片上，集成更多的和更復(fù)雜的模擬數(shù)字電路結(jié)構(gòu)，如DSP實(shí)現(xiàn)數(shù)字圖像處理和數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)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。窗口開設(shè)在正對著傳感器陣列上方的位置，光學(xué)圖像經(jīng)過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(shù)字圖像信息和行列同步信號(hào)，輸入操作方式的設(shè)置數(shù)據(jù)，連接電源和模擬參考電壓等等。