用戶定制的CMOS成像器

十年前當人們論述CMOS成像器時，總要先花費一些篇幅來比較CMOS和CCD成像器在圖像質量和性能上的孰優孰劣。近年來這種比較已經不再重要，除了其圖像質量已經有很大提高的因素以外，在CMOS成像器所深入的許多應用領域，CCD已經無法與之競爭。首先在移動電話的攝像功能上，一顆CMOS成像器單個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單共享單一電源。這些特點對移動電話的系統結構設計是至關重要的，使得CCD成像器已經無可爭辯地退出了手機攝像應用領域。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，這一特點使CMOS成像器在新一代高清晰度數字電視攝像機領域得到廣泛使用，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成像器的優勢來源于其最重要特點：CMOS半導體結構和工藝。這種從七十年代末逐步發展和完善的半導體技術，已經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。另外一個重要的特點在于：可以在全球幾乎任何主要的CMOS硅晶元代工廠商進行試片和規模生產。這兩個特點將給圖像電子產品從結構、功能、性能、質量和成本上帶來飛躍的進步。最終導致本文標題所指出的結果：CMOS成像器是可以用戶定制的，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品和系統中來。

CMOS成像器最關鍵的結構就是有源像素傳感器(APS)，其特點是在每一個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結上形成的電荷信號，在每一個像素上就被轉換成模擬電壓信號輸出。這樣一來通用的CMOS模擬開關和線性放大器，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轉移傳遞光電圖像信息，而這些電荷耦合結構是無法與MOS或其他半導體結構簡單融合，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工藝產生的。

圖2：一個典型的CMOS成像器芯片示意框圖。

CMOS成像器芯片的核心是一個二維的傳感器像素陣列，通過光學聚集的圖像就成像在這個平面上。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、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，列模擬開關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。控制器使整個曝光讀出過程同步操作運行，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帶光學玻璃窗口的外殼中。窗口開設在正對著傳感器陣列上方的位置，光學圖像經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。