用户定制的CMOS成像器

十年前当人们论述CMOS成像器时，总要先花费一些篇幅来比较CMOS和CCD成像器在图像质量和性能上的孰优孰劣。近年来这种比较已经不再重要，除了其图像质量已经有很大提高的因素以外，在CMOS成像器所深入的许多应用领域，CCD已经无法与之竞争。首先在移动电话的摄像功能上，一颗CMOS成像器单个SoC芯片，可以集成摄像传感器和图像处理功能，芯片直接输出手机所需的传输和显示图像数据格式；CMOS成像器芯片的低功耗，与手机上其他芯片简单共享单一电源。这些特点对移动电话的系统结构设计是至关重要的，使得CCD成像器已经无可争辩地退出了手机摄像应用领域。由于CMOS成像器芯片从引脚上直接输出数字图像数据，它可以利用先进的10Gbps及以上的极高速数据传输标准直接传输和切换。结合并行数据传输和高密度封装，这一特点使CMOS成像器在新一代高清晰度数字电视摄像机领域得到广泛使用，并成为4K以上数字影院级高清晰度摄像机唯一可选方案。

CMOS成像器的优势来源于其最重要特点：CMOS半导体结构和工艺。这种从七十年代末逐步发展和完善的半导体技术，已经复盖了从数字到模拟，从低噪声的到Giga-bit数据率的IC主流制造。成像传感器芯片融入这个主流制造工艺的好处是非常明显的，首先传感器可以与数字、模拟电路集成在单颗硅片上。包括图像传感器、图像的模拟信号处理、模拟数字变换ADC、图像信息的数字信号处理DSP、高速图像数据总线和数字控制等等，甚至周边应用电路都可以集成到单颗模拟、数字混合工艺的片上系统SoC-System on Chip上来。另外一个重要的特点在于：可以在全球几乎任何主要的CMOS硅晶元代工厂商进行试片和规模生产。这两个特点将给图像电子产品从结构、功能、性能、质量和成本上带来飞跃的进步。最终导致本文标题所指出的结果：CMOS成像器是可以用户定制的，它将如同其他模拟和数字ASIC芯片一样，广泛应用到带摄像功能的和目前还是潜在的带摄像功能的众多产品和系统中来。

CMOS成像器最关键的结构就是有源像素传感器(APS)，其特点是在每一个像素上都有一组有源电路。通过这组电路，入射光子在光电二极管PN结上形成的电荷信号，在每一个像素上就被转换成模拟电压信号输出。这样一来通用的CMOS模拟开关和线性放大器，就可以立即切换和处理模拟图像信号了。不像CCD传感器那样，从每一个像素上输出的是对应光照的电荷信号，只能用复杂的电荷耦合结构来转移传递光电图像信息，而这些电荷耦合结构是无法与MOS或其他半导体结构简单融合，并轻易集成在单一硅片上的。当然APS像素本身，包括光电转换和有源电路部分，也是很容易用通用的CMOS工艺产生的。

图2：一个典型的CMOS成像器芯片示意框图。

CMOS成像器芯片的核心是一个二维的传感器像素阵列，通过光学聚集的图像就成像在这个平面上。围绕着像素阵列的，是控制曝光和读出的垂直扫描、列读出通道和切换开关、图像信号的模拟数字转换等部件。还有输入控制方式数据的串行接口、数据存储器和控制器。一个典型的CMOS成像器芯片结构方框示意如图1，它包含了集成到一颗单硅片上的所有最必要部件。

像素阵列是由排列成行、列的APS像素组成。垂直扫描电路逐行地控制像素阵列的重置、曝光和选择读出等操作。每一列像素共享一路输出，由列读出放大器读出，列模拟开关水平扫描切换像素读出的光电电压信号。模数转换ADC把模拟图像信号转换成数字图像数据，由芯片引脚直接输出数字图像信号。控制器使整个曝光读出过程同步操作运行，曝光读出模式和参数的设定数据由串口输入和存储，再送入控制器控制部件按设定好的控制程序运行。还可以在同一硅片上，集成更多的和更复杂的模拟数字电路结构，如DSP实现数字图像处理和数据格式的转换等功能。

CMOS成像器芯片封装在一个带光学玻璃窗口的外壳中。窗口开设在正对着传感器阵列上方的位置，光学图像经过透镜或透镜组在传感器阵列平面上成像。封装外壳上的引脚输出数字图像信息和行列同步信号，输入操作方式的设置数据，连接电源和模拟参考电压等等。