互补金属氧化物半导体

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互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor,CMOS)

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什么是互补金属氧化物半导体

  互补金属氧化物半导体是一种已大量使用的光集成器件,它可以把更多的功能(如像素阵列、计时逻辑、采样电路、放大器、参考电压等)集合成一体,故价格低廉,原理和功能与CCD接近,在精度要求不高的普及型场合得到了广泛的应用。近年来,CMOS光电成像器件已成为固体成像器件研究开发的热点。

互补金属氧化物半导体的像素结构[1]

  CMOS成像器件的像素电路分为无源像素型(PPS)和有源像素型(APS)。CMOS像素结构主要有光电二极管型无源像素结构、光电二极管型有源像素结构和光栅型有源像素结构。

  (1)无源像素结构

  单管的光电二极管无源像素,允许在给定的像元尺寸下有最高的设计填充系数,或者在给定的设计填充系数下可以设计出最小的像元尺寸。由于填充系数高和没有许多CCD中的多晶硅叠层,无源像素结构量子效率较高。但是,由于传输线电容较大,CMOS无源像素传感器读出的噪声较高,这是个致命的弱点。

  (2)光电二极管型有源像素结构

  在像元内引入缓冲器或放大器,可以改善像元的性能,这种像元内有有源放大器的传感器称为有源像素传感器。CMOS有源像素传感器的功耗比CCD(电荷耦合器)小。与无源像素结构相比,有源像素结构的填充系数小,其填充系数的典型值为20%-30%,接近于行间转移CCD(电荷耦合器)。

  (3)光栅型有源像素结构

  光栅型有源像素型CMOS主要应用于高性能科学成像和低光照条件下成像,读出噪声较低。

  (4)其他像素结构

  CMOS还有其他像素结构以满足不同的需求。如在有些情况下,传感器非线性输出是人们所希望的。当光信号被压缩时,非线性输出可以增大动态范围。

互补金属氧化物半导体成像器件的总体结构[1]

  图所示为CMOS光电成像器件的总体结构框图。它们一般由光敏单元阵列、行选通逻辑、列选通逻辑、定时和控制电路、模拟信号处理器构成,更高级的CMOS光电成像器件,还集成有模/数(A/D)转换。

Image:互补金属氧化物半导体.jpg

  行选通逻辑和列选通逻辑可以是移位寄存器或译码器,定时和控制电路的作用是限制信号读出模式、设定积分时间、控制数据输出率等,而在片模拟信号处理器具有完成信号积分、放大、取样和保持、相关双取样等功能。在片模拟/数字转换器是在片数字成像系统所必需的。

  CMOS光电成像器件可以是整个成像阵列有一个A/D或几个A/D(每种一个颜色),也可以是成像阵列每列各有一个A/D。

  CMOS光电成像器件图像信号有几种读出模式:

  ①整个阵列逐行扫描读出模式,这是一种普遍的读出模式;

  ②窗口读出模式,这种模式仅读出感兴趣窗口内像元的图像信息,因此增加了感兴趣窗口内信号的读出率;

  ③跳跃读出模式,这种模式是每隔一个(或几个)像元读出,这种读出模式以降低分辨率为代价,允许图像有选择性取样,以增加读出速率。

  此外,将跳跃读出模式与窗口读出模式结合,可实现电子全景摄像、倾斜摄像和可变焦摄像。

参考文献

  1. 1.0 1.1 徐艳芳.印刷应用光学.印刷工业出版社,2007.9
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