视频信息处理与传输课程研究报告一.docx
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视频信息处理与传输课程研究报告一
视频信息处理与传输
课程研究报告一
一、概述：
2
二、CMOS图像传感器2
2.1发展历程2
2.2工作原理3
2.2.1无源像素传感器3
2.2.2有源像素传感器4
2.2.3数字像素传感器4
2.3CIS技术优势5
2.4应用6
2.4.1数码相机6
2.4.2CMOS数字摄像机6
2.4.3其他应用领域6
2.4.4X光机市场7
2.5市场前景7
三、CMOS与CCD9
3.1灵敏度差异10
3.2成本差异10
3.3分辨率差异10
3.4噪声差异10
3.5功耗差异10
四、参考文献：
11
1
一、概述：
随着数码相机、手机相机的兴起，图像传感器正逐渐成为半导体产品中最耀眼的明星之
一，而在图像传感器中，日商所独占的CCD传感器与百家争鸣的CMOS传感器都在尽力克
服自身的缺点，希望成为市场上的主流技术，CMOS图像传感器的产量不断增加．应用领
域不断扩展。
21世纪将是CMOS图像传感嚣在电子摄像领域演主角的世纪：
。
鉴于此，本
文将首先简介CMOS图像传感器的发展历程及工作原理．指出了CMOS图像传感器的技术
优势，并讨论了CMOS图像传感器的发展趋势。
也接着介绍了CCD与CMOS传感器在原
理方面的差异，探讨领导厂商的技术发展蓝图，了解这些不同的图像传感器在应用市场上的发展趋势。
三、CMOS图像传感器
2.1发展历程
现代人类生活中，人们迫切需要获取各类信息，其中以视觉器官为渠道获取的图像信
息居多。
据统计，人们所获取的信息，80％以上是通过视觉器官得到的。
随着半导体技术水
平的不断提高．图像传感（ImageSensor）作为目前视觉信息获取的一种基础器件，因其能实
现信息的获取、转换和视觉功能的扩展．给出直观、多层次、内容丰富的可视图像信息．而
在现代社会生活中得到越来越广泛的应用。
目前，图像传感器主要分
2类，电荷耦合器件（Charge—CoupledDevice，CCD）和互补
金属氧化物场效应管（ComplementaryMetalOxideSemiconductor，CMOS）图像传感器。
自从上
世纪60年代末期，美国贝尔实验室提出固态成像器件概念后，固体图像传感器便得到了迅
速发展，成为传感技术中的一个重要分支，它是
PC机多媒体不可缺少的外设，也是监控设
备中的核心器件。
互补金属氧化物半导体
（CMOS）图像传感器与电荷耦合器件
（CCD）图像传
感器的研究几乎是同时起步，但由于受当时工艺水平的限制，
CMOS图像传感器图像质量
差、分辨率低、噪声降不下来和光照灵敏度不够，因而没有得到重视和发展。
而由于
CCD
可以在较大面积上有效、均匀地收集和转移所产生的电荷并低噪声地测量，因此在过去
20
年。
CCD器件一直主宰着图像传感器市场。
但是最近
10年，由于集成电路设计技术和工艺
水平的提高，CMOS图像传感器过去存在的缺点现在都可以找到办法克服。
而且它固有的
诸如像元内放大、列并行结构，以及深亚微米CMOS处理等独特的优点更是
CCD器件所无
法比拟的，而且与CCD技术相比，CMOS技术集成度高、采用单电源和低电压供电、成本
低和技术门槛低。
低成本、单芯片、功耗低和设计简单等优点使
CMOS图像传感器在保安
监视系统、可视电话、可拍照手机、玩具、汽车和医疗电子等低端像素产品领域中大出风头。
这些方面的应用驱动了
CMOS图像传感器市场的快速增长，使它再次成为研究的热点。
70
年代初，CMOS传感器在美国航空航天局（NASA）的JetPropulsionLaboratory（JPL）制造成功。
2
80年代末，英国爱丁堡大学成功试制出了世界第1块单片CMOS型图像传感器件。
1995年，
像元数为128x128的高性能CMOS有源像素图像传感器由JPL首先研制成功。
1997年，英国爱丁堡VLSIVersion公司首次实现了CMOS图像传感器的商品化。
就在这一年，实用
CMOS技术的特征尺寸达到了0．35m，东芝研制成功了光电二极管型APS（ActivePixel
Sen．Sor），其像元尺寸为5．6bmx5．6m，具有彩色滤色膜和微透镜阵列。
2000年．El
本东芝公司和美国斯坦福大学采用0．35m技术开发的CMOS—APS已成为开发超微型
CMOS摄像机的主流产品。
目前在国内，中芯国际也已经量产了应用0．18LLm技术的CMOS
图像传感器。
制造工艺的进步和新产品的不断推出预示着CMOS图像传感器的时代即将到
来。
2.2CMOS图像传感器CIS的结构及工作原理
MOS图像传感器的概念最早出现在20世纪60年代，但当时由于大规模集成电路工艺的
限制未能进行研究。
普遍意义上的CMOS图像传感器的研究是从80年代早期开始，而从
实验室走向产品化则是在90年代早期。
CMOS图像传感器的研发大致经历了3个阶段：
CMOS无源像素传感器（CMOS—PPS。
PassivePixelSensor）阶段、CMOS有源像素传感器
（CMOS—APS，ActivePixelSensor）阶段和CMOS数字
像素传感器（CMOS—DPS，DigitalPixelSensor）阶段。
2.2.1无源像素图像传感器
在上世纪60年代后期，G．Weckler就提出了无源像素传感器结构的CMOS图像传感器
iz．31。
这种结构至今几乎没有发生较大变化。
它的无源像素结构如图1（a）所示：
它包括1
个光电二极管和1个MOS开关管。
光电二极管用于将入射的光信号转换为电信号；MOS
开关管的导通与否取决于器件像元阵列的控制电路。
在每一曝光周期开始时．MOS开关管
处于关断状态，直至光敏单元完成预定时间的光电积分过程，MOS开关管才转入导通状态；
3
此时，光电二极管与垂直的列线连通．光敏单元中积累的与光信号成正比的光生电荷被送往
列线．由位于列线末端的电荷积分放大器转换为相应的电压量输出（电荷积分放大器读出电
路保持列线电压为一常数，并减小像元复位噪声）：
当光电二极管中存储的信号电荷被读出
时，再由控制电路往列线加上一定的复位电压使光敏电源恢复初始状态。
随即再将MOS开
关管关断以备进入下一个曝光周期。
在此结构下。
还可以采用另外一个开关管以实现二维的
—y寻址。
由于PPS像元结构简单、面积很小。
所以在给定的单元尺寸下，可设计出最高的填充系数（FillFactor．FF又称“孔径系数”，即像元中有效光敏单元面积与像元总面积之比）；在给定的设计填充系数下，单元尺寸可设计的最小。
并且，由于填充系数高和没有类
似许多CCD中的多晶硅层叠，无源像素结构可获得较高的
“量子效率”（即光生电子与入射
光子数量之比），从而有利于提高器件的灵敏度。
但是这种结构存在着
2个方面的不足：
其
一，各像元中开关管的导通阈值难以完全匹配，
所以即使器件所接受的入射光线完全均匀一
致，其输出信号仍会形成某种相对固定的特定图形，也就是所谓的“固有模式噪声”
（Fixed
PatternNoise，FPN），致使PPS的读出噪声很大，典型值为
250个均方根电子，较大的固有
模式噪声的存在是其致命的弱点；
其二．光敏单元的驱动能量相对较弱，
当图像传感器规模
不断增大后，总线上电容相应增加传感器读出速度大幅降低，
故而列线不宜过长以期减小其
分布参数的影响。
受多路传输线寄生电容及读出速率的限制，
PPS难以向大型阵列发展
。
2.2.2有源像素图像传感器
有源像素单元APS几乎与无源像素单元一起出现。
图1（b）所示的是有源像素传感器结构：
它包括光电二极管、复位管、源跟随器有源放大管和行选读出晶体管。
在此结构中，输出信
号由源跟随器予以缓冲以增强像元的驱动能力，其读出功能受与它相串联的行选晶体管（RS）
控制。
因源跟随器不再具备双向导通能力，故需另行配备独立的复位晶体管（RST）。
光照射
到光电二极管产生电荷，这些电荷通过源极跟随器缓冲输出；当读出管选通时，电荷通过列
总线输出。
读出管关闭，复位管打开对光电二极管复位。
上述只是一个简单的原理性过程，在实际工作时，其读出、复位是有不少讲究的。
例如，为了抑制固定图形噪声需采用相关双
采样，不但要读取信号电压，
还要读取复位后光电二极管的电压。
由于这种结构相对无源像
素传感器结构在像素单元里增加了有源放大管，
于是减小了读出噪声并且它的读出速度也较
快；由于有源像元的驱动能力较强，
列线分布参数的影响相对较小，
因而有利于制作像元阵
列较大的器件；另外，由于有源放大管仅在读出状态下才工作，所以
CMOS有源像素传感
器的功耗比CCD图像传感器的还小。
这种结构的APS量子效率比较高，由于采用了新的消
噪技术，输出图形信号质量比以前有许多提高，
读出噪声一般为
75～100个电子。
而像元本
身具备的行选功能，对二维图像输出控制电路的简化颇有益处。
但是，有源像素传感器在提
高性能的同时也付出了增加像素单元面积和减小“填充系数
（FillFactor）”的代价[5'61。
APS
像元结构复杂，与PPS像元结构相比（无源像元的孔径效率多在
60％～80％之间），其填充
系数较小，设计填充系数典型值为
20％～30％，与行间转移
CCD接近，因而需要一个较大
的单元尺寸。
为了补偿有源像素填充系数不高引起的不足，
CMOS器件往往借用CCD制造
工艺中现有的“微透镜”技术
就是在器件芯片的常规制作工序完成后，再利用光刻技术在
每个像元的表面直接制作一个微型光学透镜
借以对入射光进行会聚，使之集中投射于像元
的光敏单元，从而可将有源像元的有效填充系数提高
2～3倍，提高信号质量。
深亚微米技
术的采用将会大幅提高填充率。
2.2.3数字像素图像传感器
4
上面提到的无源像素传感器和有源像素传感器的像素读出均为模拟信号，于是它们又通
称为模拟像素传感器。
近年来，美国斯坦福大学提出了一种新的
CMOS图像传感器结构一
数字像素传感器（DPS），在像素单元里集成了
ADC（Analog—to—DigitalConvertor）和存储单
元，如图2（c）所示。
由于这种结构的像素单元读出为数字信号，
其它电路都为数字逻辑电路，
因此数字像素传感器的读出速度极快，
具有电子快门的效果，非常适合高速应用，而且它不
像读出模拟信号的过程，不存在器件噪声对其产生干扰。
另外，由于
DPS充分利用了数字
电路的优点，因此易于随着CMOS工艺的进步而提高解析度，性能也将很快达到并超过
CCD
图像传感器，并且实现系统的单片集成。
数字像素图像传感器的主要缺点在于因为增加了像
素单元内的晶体管数目而需要较大的像素单元面积，
而且随着芯片加工工艺的不断发展，
接
口电压在不断降低，漏电流也在不断增加，
DPS的设计和制造也面临着较大的挑战【
7】。
目前，这种传感器还处于研究阶段。
以上介绍了3种不同类型的图像传感器结构，其中发展最快的是
CM0S—APS。
这种类
型的图像传感器器件已经进入商品化和实用化阶段，
但是对全面改善CM0S—APS性能的研
究工作还在深入进行。
CMOS图像传感器能够快速发展，一是基于固体图像传感器技术的
研究成果，二是得益于CMOS集成电路工艺技术的成熟。
在CMOS取代CCD的进程中．生
产工艺将是弥补CMOS图像质量和亮度不足的关键。
2.3CIS的技术优势
CMOS图像传感器和CCD在光检测方面都是利用了硅的光电效应原理，不同点在于像素光
生电荷的读出方式。
CCD是通过垂直和水平CCD转移输出电荷．而在CMOS图像传感器中，电压通过与DRAM存储器类似的行列解码读出。
CM0S与CCD图像传感器在结构、工作方式和制造工艺兼容程度上的差别，使得CMOS图像传感器具有CCD所不具有的一些优点：
（1）CMOS图像传感器能将光电检测器、电荷／电压转化单元、复位和选择晶体管、电压放大器以及数／模（ADC）转换电路集成在一块芯片里，整个阵列使用简单的—y排位技术，输
出信号由列和行读取电路构成．这些外围电路也可以集成在芯片内，因此CMOS图像传感
器输出的数字信号可以直接进行处理。
（2）CMOS电路的基本特性是静态功耗几乎为零．只有在电路接通时才有电能的消耗。
另外
件，驱动电路的功耗大，且需多相时钟驱动[81，因此CM0S图像传感器的耗电量只有普通
的由二极管组成的CCD图像传感器的1／10左右。
（3）随着CMOS工艺的发展，CMOS晶体管变得越来越小，CMOS象素尺寸也随之变小，可
以将放大器、ADC甚至影像数字信号处理电路集成在芯片上，故
CMOS集成度高。
（4）CMOS制造成本低、结构简单、成品率高，使CM0S图像传感器在价格上与
CCD图像传
感器相比具有优势。
（5）由于CCD的像素由MOS电容构成，电荷激发的量子效应易受辐射线的影响：
而
CMOS
图像传感器的像素由光电二极管构成，
因此CMOS图像传感器的抗辐射能力比
CCD大十多
倍，有利于军用和强辐射应用。
（6）CMOS图像传感芯片除了可见光，对红外光也非常敏感，在
890～980nm范围内其灵敏
度远高于CCD图像传感芯片的灵敏度，并且随波长增加而衰减的梯度也相对较慢。
如能设
计制造出在l～3m波长范围内敏感的
CMOS图像芯片，则CIS在夜战和夜间监控上将有更
广泛的应用。
进入90年代．随着多媒体市场的不断扩大，对图像传感器的应用要求也越来越高。
对于许多成像系统，将驱动电路和信号处理电路集成在图像传感器上以实现系统小型
5
化和接口简单化已变得越来越重要。
同时，人们需要一种新的数字图像获取系统，能够直接
将电视和照相2种图像输入到个人电脑中进行实时处理。
为此，人们希望有一种图像传感器，它具有简单的时钟、单一的电源、可随机快速读
取图像信息、低系统功耗、低成本等优点，以满足成像系统小型化、数字化发展的需求。
利
用CMOS工艺技术制造的CMOS图像传感器，可以将图像传感器阵列、驱动电路和信号处
理电路、模拟，数字转换器、改进的界面完全集成在一起．在制造上，CMOS传感器的加
工采用的是大多数半导体厂家生产集成电路的流程，易于与其它CMOS电路只需单一电压
供电，而CCD是大电容器易于与CMOS电路集成在一起且成本较低；同时，CMOS只需使
用一个电源供电。
在节能方面相对于CCD具有很大的优势。
在不远的未来，CMOS图像传
感器将成为CCD图像传感器的替代者，这种成像技术将推动下一代成像系统的发展。
2.4CMOS图像传感器件的应用
2.4.1数码相机
人们使用胶卷照相机已经上百年了，20世纪80年代以来，人们利用高新技术，发展了不用
胶卷的CCD数码相机。
使传统的胶卷照相机产生了根本的变化。
电可写可控的廉价FLASH
ROM的出现，以及低功耗、低价位的CMOS摄像头的问世。
为数码相机打开了新的局面，
数码相机功能框图如右下图所示。
从图中可以看出，数码相机的内部装置已经和传统照相机完全不同了，彩色CMOS摄像头
在电子快门的控制下，摄取一幅照片存于DRAM中，然后再转至FLASHROM中存放起来。
根据FLASHROM的容量和图像数据的压缩水平，可以决定能存照片的张数。
如果将ROM
换成PCMCIA卡，就可以通过换卡，扩大数码相机的容量，这就像更换胶卷一样，将数码
相机的数字图像信息转存至PC机的硬盘中存贮，这就大大方便了照片的存贮、检索、处理、
编辑和传送。
2.4.2CMOS数字摄像机
美国OmniVison公司推出的由OV7610型CMOS彩色数字图像芯片和OV511型高级摄像机以及USB接口芯片所组成的USB摄像机，其分辨率高达640x480,适用于通过通用串行总线传输的视频系统。
OV511型高级摄像机的推出，可使得PC机能以更加实时的方法获取大
量视频信息，其压缩芯片的压缩比可以达到7:
1,从而保证了图像传感器到PC机的快速图像
传输。
对于CIF图像格式，OV511型可支持高达30帧/秒的传输速率、减少了低带宽应用中
通常会出现的图像跳动现象。
OV511型作为高性能的USB接口的控制器，它具有足够的灵
活性，适合包括视频会议、视频电子邮件、计算机多媒体和保安监控等场合应用。
2.4.3其他领域应用
CMOS图像传感器是一种多功能传感器，由于它兼具CCD图像传感器的性能，因此可进入
CCD的应用领域，但它又有自己独特的优点，所以开拓了许多新的应用领域。
除了上述介
6
绍的主要应用之外，CMOS图像传感器还可应用于数字静态摄像机和医用小型摄像机等。
例如，心脏外科医生可以在患者胸部安装一个小“硅眼”,以便在手术后监视手术效果，CCD就很难实现这种应用。
2.4.4应用于X光机市场
在牙科用X光机市场上，用于从口腔内侧给1～2颗牙拍摄X光片的小型CMOS传感器在
欧洲已达到实用水平，在美国也在推广。
而在从口腔外侧拍摄全景X光片的X光机领域，
今后仍将以CCD传感器为主。
2.5CMOS图像传感器的性能与市场前景
目前在中国．还没有低于
0．5um线宽的大规模集成电路生产基地
+因此像素数在30
万以上的CMOS图像传感器芯片必须进口。
但中国拥有足够优秀的微电子、微机械结构、
光学设计、机电加工的人才．
固此对进口的
CMOS图像传感器芯片有足够的消化能力。
可
以开发或系统集成以CMOS图像传感器芯片为核心元件的各种下游产品，
寻觅CCD技术
所难达到的新应用领域：
既然技术核心
CMOS图像传感器芯片须进1：
3，那么今后国外
的CMOS图像传感器芯片、谁家的性价比好，
就买谁家的。
可使中国犬陆的业者不承担投
资上的技术风险．且发挥中国人的人才资源优势和低加工成本的优势．
使中国逐步发展成
CMOS摄像机生产基地与各种视频产品的集散地：
目前．中国CCD摄像器件的市场，基
本上被韩国、中国台湾、日本、欧美所占领国内大多业者所做的不过是散件组装、贴片、来
料N．T-的业务。
在新技术CMOS摄像器件热潮尚未到来
前，所有开发CMOS摄像器件下游的产品的
人都站在同一起路线上，公平竞争，所
，必然会引起有识之士的注意。
CMOS图像传感器
可广泛应用于可视电话、Pc摄像机、Pc机电脑跟、PDA和它的手持设备，
电视机顶盒、
可视门铃、汽车尾视、汽车防盗、机器视觉、安防监控以及还有其它数不清的应用：
中国有4千万个中产阶层家庭+消费水平在
1000元人民币以下的家用电子产品，
可被
这些家庭接受。
这还未涉及到工矿企业、政府机构、金融、商业部门的各种需要和国外来料
加工，出1：
3的需要，市场可扩展空间极大
以可视门铃为例，目前仅在南方上市．北方
还未酱及。
再考虑到上百万台家庭电瞄都需要装上
CMOS电脑跟，市场容量惊人。
因此当
今要做的是，如何促成这一消费市场的成熟。
据OmniVision预测n]．全球影像产品的市场将从
1998年的8．8亿美元上升到
2002年
的I6亿美元．整整翻了一番。
另外，据市场调研公司
C．ahnersIn—statOroup的预测，到
2002年基于CMOS图像传感器的影像产品将达
50％以上，也就是说．到
2002年．CMOS
图像传感器将打一个翻身仗．取代
CCD成为市场主流。
OmniVision预测美国国内以及全球
的CMOS摄像机市场发展情况如表
1所示由此可见CMOS摄像机的市场前景看好。
7
今年5年内。
全球CMOS图像传感器销售量将猛增，并在许多数字图像应用领域向传
统的CCD发起冲击。
预计到2002年，销售量将达到6000万片。
这种器件具有两方面的吸引力，一是价格比CCD器件低15～25％，二是其芯片式结构
可方便地与其它硅基元器件集成：
从而有效地降低整个系统的成本。
尽管过去CMOS图像
传感器的图像质量比CCD差，且分辨率低，却在迅速改进。
不断逼近CCD的技术水平，
因而这种传感器件特别适用对分辨率要求较低的数字相机、电子玩具、电视会议和保安系统
的摄像机构。
日本Nin一do有限公司最近已推出采用CMOS图像传感器的低分辩率数字相
机．上市头两个月．销售量就达100万台。
这种器件的主要供应厂商之一。
三菱公司称摩托
罗拉、惠普、东芝和[nte公司不久也将上滚类产品据统计和预测．
全球CMOS图像传感器年销售额1997年为5400万美元。
1998年达2．18亿美元．预
计1999年达974亿美元，2000年达21．08亿美元，2001年将达到35．62亿美元．2002
年将增大到48．87亿美元1997年英国vlsI视觉公司每月售出l0万块CMOS图像传感器片：
匠公司是世界上生产CMOS图像传感器芯片和CMOS摄像机的最大厂商之一．表2示出了垒球CMOS图像传感器销售量和销售额。
CMOS传感器的性能见表3
8
三、CCD与CMoS
CCD与CMOS传感器是当前被普遍采用的两种图像传感器，两者都是利用感光二极管（photodiode）进行光电转换，
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