CMOS图像传感器的研究进展_李继军.

. net
光学制造
1内蒙古工业大学理学院, 内蒙古呼和浩特 0100512北京师范大学遥感与 GIS 研究中心遥感科学国家重点实验室, 北京 10087! " 5
Li Jijun 1
Du Yungang 1Zhang Lihua 1, 2
Liu Quanlong 1Chen Jianrui 1
1School of Science, Inner Mongolia University of Technology , Hohhot, Inner Mongolia 010051, China,
2State Key Laboratory of Remote Sensing Science, Research Center of Remote Sensing &GIS,
Beijing Normal University ,Beijing 100875, China
#$$$$$$$$$$$%
&’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ (
摘要 20世纪 90年代以来, 随着超大规模集成 (VLSI 技术的发展, CMOS 图像传感器显示出强劲的发展势头。

简要介绍了 CMOS 图像传感器的结构及工作原理, 详细比较了 CMOS 图像传感器与 CCD 的性能特点, 讨论了 CMOS 图像传感器的关键技术问题,并给出了相应的解决途径,综述了 CMOS 图像传感器的国内外研
究现状, 最后对 CMOS 图像传感器的发展趋势进行了展望。

关键词光电子学; 传感器; CMOS 图像传感器; CCD ; 关键技术问题 Abstract
Since the 1990s, with the development of very large scale integration (VLSI,CMOS image sensors have been developed rapidly. The structure and working principle of CMOS image sensors are introduced. The performances between CMOS image sensor and CCD are compared in detail. The key technical problems of CMOS image sensors are discussed, and the related solving ways are given. The development situation of CMOS image sensors at home and abroad is reviewed, and the development trends of CMOS image sensors are prospected.
Key words optoelectronics; sensor; CMOS image sensor; CCD; key technical problem 中图分类号 O436
doi :10.3788/LOP20094604.0045
1引言
CMOS 图像传感器的研究始于 20世纪 60年代末, 受当时工艺技术的限制, 发展和应用有限。

直到 20世纪 90年代初,随着大规模集成电路设计技术和信号处理技术的提高, CMOS 图像传感器才日益受到重视 [1~3],
成为固体图像传感器的研发热点。

近几年来, 随着集成电路设计技术和工艺水平的长足进步 , CMOS 图像传感器的一些性能指标已接近甚至超过CCD 图像传感器 [4~6]。

本文简要介绍了 CMOS 图像传感器的结构及工作原理,详细比较了 CMOS 图像传感器与 CCD 的性
能特点,讨论了 CMOS 图像传感器的关键技术问题, 并给出了相应的解决途径, 综述了 CMOS 图像传感器的国内外研究现状, 最后对 CMOS 图像传感器的发展趋势进行了展望。

2结构及工作原理
CMOS 图像传感器的总体结构如图 1所示
[7~9]
,
一般由像素阵列、行选通逻辑、列选通逻辑、定时和控制电路、在片模拟信号处理器 (ASP 构成,高级的 CMOS 图像传感器还集成有在片模数转换器(ADC 。

行选通逻辑和列选通逻辑可以是移位寄存器, 也
CMOS 图像传感器的研究进展
Research Progress on CMOS Image Sensors
45
OPTICAL MANUFACTURE
可以是译码器, 其中的行选通逻辑单元可以对像素阵列逐行扫描也可隔行扫描。

行选通逻辑单元与列选通逻辑单元配合使用可以实现图像的窗口提取功能。

定时和控制电路限制信号读出模式、设定积分时间、控制数据输出率等。

在片模拟信号处理器是完成相关双取样、信号积分、放大、取样 /保持、双Δ取样等功能, 对信号进行放大处理, 提高信噪比 (SNR 。

在片模数转换器是数字成像系统所必需的, CMOS 图像传感器可以是整个成像阵列有一个 ADC 或几个 ADC (每种颜色一个 , 也可以是成像阵列每列各一个。

外界光照射像素阵列, 发生光电效应, 在像素单元内产生相应的电荷。

行选通逻辑单元根据需要, 选通相应的行像素单元。

行像素单元内的图像信号通过各自所在列的信号总线传输到对应的模拟信号处理单元以及 ADC , 转换成数字图像信号输出。

与 CCD 相比, 这种结构提供了随机进入像元、以非常高的帧速率直接开窗口的能力,同时避免了 CCD 中大量电荷转移很长距离的情况。

3CMOS 图像传感器与 CCD 的性能比较 3.1灵敏度
灵敏度代表图像传感器的光敏单元收集光子产生电荷信号的能力。

CCD 的感光信号以行为单位传输, 电路占据像素的面积比较小, 这样像素点对光的感受就高些; 而 CMOS 图像传感器的每个像素由多个晶体管与一个感光二极管构成 (含放大器与 A /D转换电路 ,使得每个像素的感光区域只占据像素本身很小的面积, 像素点对光的感受就低。

因此, 在像素尺寸相同的情况下, CCD 图像传感器的灵敏度要高于 CMOS 图像传感器。

3.2分辨率
CMOS 图像传感器上集成有放大器、定时器和
ADC 等电路, 每个像素都比 CCD 复杂, 因而电路所占像素的面积也大, 所以相同尺寸的传感器, CCD 可以做得更密。

通常 CCD 图像传感器的分辨率会优于CMOS 图像传感器。

3.3噪声
CCD 与 CMOS 图像传感器在结构上的不同, 使得它们的读出噪声有很大的差别。

CCD 中的噪声主要是在最高带宽产生的, 而 CMOS 图像传感器由于采用的是列并行结构, 因此噪声带宽是由行读出带宽决定的。

CCD 中噪声随视频频率的增加而增加, 而 CMOS 图像传感器的噪声与视频频率无关。

由于 CMOS 图像传感器每个像元都需搭配一个放大器, 如果以百万像素计, 那么就需要百万个以上的放大器。

而放大器属于模拟电路, 很难让每个放大器所得到的结果保持一致。

因此与只有一个放大器放在芯片边缘的 CCD 图像传感器相比, CMOS 图像传感器的噪声就会增加很多, 这将会影响到图像品质。

3.4响应均匀性
理想状态下各个像元在均匀光照的条件下的输出应当是相同的,但是由于硅圆片工艺的微小变化、硅片及工艺加工引入缺陷、放大器变化等导致图像传感器光响应不均匀。

响应均匀性包括有光照和无光照 (暗环境两种环境条件。

CMOS 图像传感器由于每个像元中均有开环放大器, 器件加工工艺的微小变化导致放大器
的偏置及增益产生可观的差异, 且随着像元尺寸进一步缩小, 差异将进一步扩大, 这使得在有光照和暗环境两种条件下 CMOS 图像传感器的响应均匀性较 CCD 有较大差距。

尽管如此, 可以采用反馈放大器等技术改进 CMOS 图像传感器在有光照条件下的均匀性, 使之接近 CCD 的水平。

另一方面, 尽管 CMOS 图像传感器研制者投入大量的努力降低暗环境下器件响应的非均匀性, 但是现在它仍然无法达到CCD 的水平。

这个参数在高速应用中尤为重要, 因为在高速应用中由于信号弱, 暗环境条件下的非均匀性将显著降低图像质量。

3.5速度
由于 CCD 采用串行连续扫描的工作方式,必须一次性读出整行或整列的像素数据。

而 CMOS 图像传感器由于采用单点信号传输, 通过简单的 X-Y 寻址技术, 允许从整个排列、部分甚至单元来读出数据, 从而提高寻址速度, 实现更快的信号传输, 而且能对局部像素图像进行随机访问, 增加了工作灵活性。

通常的 CCD 图像传感器的信号读出速率不超过 70Mpixels/s, CMOS 图像传感器信号读出速率可达 1000Mpixels/s[10~13]。

图 1CMOS 图像传感器结构 46
光学制造
3.6集成性
目前, 绝大部分 CCD 的驱动电路及模拟、数字处理电路尚未集成在同一芯片上。

而 CMOS 图像传感器同 VLSI 之间具有良好的兼容性,可以把驱动与控制系统 (CDS 、 ADC 和信号处理等电路集成在一块芯片上 [14], 形成单片高集成度数字成像系统。

这一点对于日益得到广泛应用的微型成像系统尤其重要。

随着微加工技术的不断发展, 系统的集成度将不断提高。

3.7功耗
CMOS 图像传感器的图像采集方式为主动式, 即感光二极管所产生的电荷会直接由晶体管放大输出; 而 CCD 为被动式采集,必须外加电压让每个像素中的电荷移动至传输通道。

而这外加电压通常需要 12~ 18V 。

因此 ,CCD 还必须有更精密的
电源线路设计和耐压强度。

由此可见, CCD 需要外部控制信号和时钟信号来获得满意的电荷转移效率, 还需要多个电源和电压调节器, 因此功耗大。

CMOS 图像传感器使用单一工作电压, 功耗低, 仅相当于 CCD 功耗的 1/8, 在节能方面具有很大的优势, 有利于延长便携式、机载或星载电子设备的使用时间。

3.8成本
由于 CMOS 图像传感器采用标准的半导体制造工艺, 可以轻易地将周边电路(如 AGC , CDS , 时钟和 DSP 等集成到传感器芯片中, 因此可以节省外围芯片的成本; 而 CCD 图像传感器需要特殊工艺, 使用专用生产流程,而且控制 CCD 图像传感器的成品率会比 CMOS 图像传感器困难的多。

因此, 与 CCD 相比, CMOS 图像传感器在制造成本上具有优势。

3.9响应范围
CMOS 图像传感器除了对可见光, 对红外光也非常敏感, 在 890~980nm 范围内其灵敏度远高于 CCD 图像传感器的灵敏度, 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1~3μm 波长范围内敏感的 CMOS 图像传感器, 在夜战和夜间监控上将有更广泛的应用。

3.10可靠性
CMOS 图像传感器和 CCD 在商用及工业应用领域具有等价的可靠性。

在极端恶劣的应用环境中 , 由于 CMOS 图像传感器将大部分相机电路集成在一个芯片上, 焊点与接头大大减少, 其可靠性要优于 CCD 图像传感器。

3.11抗辐射性
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或光栅构成,因此, CMOS 图像传感器的抗辐射能力比 CCD 大十多倍,这有利于军用和强辐射环境下应用 [15, 16]。

可见, 与 CCD 相比, CMOS 图像传感器具有集成度高、功耗低、成本低、速度快、响应范围宽、抗辐射性强等优点。

CCD 在灵敏度、动态范围和成像质量等方面均优于 CMOS 图像传感器 , 这也是目前大部分高端固体摄像器件仍采用 CCD 的原因。

4关键技术问题及解决途径
4.1暗电流
暗电流是 CMOS 图像传感器的难题之一 [17]。

CMOS 成像器件均有较大的像素尺寸, 因此, 在正常范围内也会产生一定的暗电流。

暗电流限制了器件的灵敏度和动态范围。

通过改进 CMOS 工艺, 降低温度, 压缩结面积, 可降低暗电流的发生率, 也可通过提高帧速率来缩短暗电流的汇集时间, 从而减弱暗电流的影响。

4.2噪声
噪声的大小直接影响 CMOS 图像传感器对信号的采集和处理, 因此 , 如何提高信噪比是 CMOS 图像传感器的关键技术之一 [18, 19]。

噪声主要包括散粒噪声、热噪声、 1/f 噪声、非均匀噪声和固定模式噪声。

其中散粒噪声和热噪声是由载流子引起的, 1/f 噪声和非均匀噪声是由材料的缺陷和不均匀性引起的, 固定模式噪声是因为工艺的误差使相邻输出信号的源跟随器不匹配引起的 [20~22]。

采取以下措施可抑制噪声和提高灵敏度:(1采用减少失调的独特电路, 使用制造更加稳定的晶体管专用工艺; (2每个像元内含一个对各种变化灵敏度相对较低的放大器; (3借鉴 CCD 图像传感器的制备技术, 采用相关双取样电路技术和微透镜阵列技术; (4光敏二极管设计成针形结构或掩埋形结构。

4.3填充系数
CMOS 图像传感器的填充系数一般在 20%~30%之间, 而 CCD 图像传感器则高达 80%以上, 这主要是由于 CMOS 图像传感器的像素中集成了读出电路。

采用微
透镜阵列结构, 在整个 CMOS 有源像素传感器的像元上放置一个微透镜将光集中到有效面积上, 可以大幅度提高灵敏度和填充系数。

4.4动态范围
动态范围是反映图像传感器性能的主要指标之一 [23]。

目前 CMOS 图像传感器的动态范围还稍逊于 CCD , 虽然对数响应型 CMOS 图像传感器的动态范围
47
. net
OPTICAL MANUFACTURE
可达 140dB , 但同时也增加了图像噪声, 影响了图像质量 [24]。

提高动态范围的方法之一就是利用 PECVD 超高真空系统以及专用集成电路 (ASIC 薄膜技术, 改进光电二极管的材料组合, 提高低灰度部位的感光度来提高动态范围。

同时在像素电路的结构及驱动方法上下功夫, 实现低灰度时自动转换到线形输出, 高灰度时自动转换到对数压缩输出。

5国内外研究现状
5.1国外研究现状
CMOS 图像传感器的迅速发展并商业化得益于成熟的 CMOS 工艺, 目前国外诸多公司和科研机构已经开发出不同光学格式、多种类型的 CMOS 图像传感器, 并将其应用于工业、国防、交通、通讯、医学及航空等不同领域。

国外最新发表的部分 CMOS 图像传感器的产品现状如表 1所示。

美光科技公司 (Microntechnology 在 2002年收购 Photobit 公司后,积极进入CMOS 图像传感器市场。

2005年 8月, 推出光学格式 1/4英寸 130万像素的CMOS 图像传感器 MT9M112,具备高级图像处理性能, 包括三路亮度校正、镜头黑点校正和色彩校正。

MT9M112在最高分辨率下的速率为 15f/s, 预览模式则为
30f/s, 像素尺寸2.8μm ×2.8μm , 包含有 1280(H ×1024(V 有效像素 (标准 SXGA 格式。

2007年 3月, 推出光学格式 1/2.5英寸 500万像素的 MT9P401, 支持以 60f/s 的速度拍摄 720P 的 HD 视频, 同时也具有超高的 15f/s静态图像的拍摄能力, 这款产品最重要的应用还是 HD 视频拍摄而非传统的数码相机。

同时也推出 1/2.5英寸的 800万像素 CMOS 传感器 MT9E001[25]。

公布时间 /年公司型号分辨率 /Pixel像素尺寸/μm 2005Omni
OV7670640×4803.6×3.6 2006Omni OV6920320×2402.5×2.5 2006Omni
OV7949PAL:628×586NTS:510×4969.2×7.2 2007Omni OV7680640×4802.2×2.2
2004Micron technology MT9D0111600×12002.8×2.8 2005Micron technology
MT9M1121280×10242.8×2.8 2007Micron technology MT9P4012592×19442.2×2.2 2000ST VV6501640×4805.6×5.6 2005ST VS6524640×4803.6×3.6 2008ST
VD67251600×12001.75×1.75 2004Cypress LUPA-40002048×204812×12 2005Cypress IBIS4-140003048×45608×8 2005Cypress CYIHDSC9000AA 3710×24346.4×6.4
2007Cypress LUPA-1300-21280×102414×14 2005Kodak KAC31002048×15362.7×2.7 2005Kodak KAC50002592×19442.7×2.7 2006Kodak KAC-9618648×4887.5×7.5
2006Kodak KAC-00400768×4886.7×6.7 2006Kodak KAC-013011284×10282.7×2.7 2008Kodak KAC-050202592×19441.4×1.4 2002Fujitsu MB86S02A 357×2935.5×5.5 2006Toshiba ET8EE6-AS 2080×15602.2×2.2 2007Sony IMX017CQE
2921×21842.5×2.5 2005MagnaChip MC532MA 2048×15362.575×2.575
2006MagnaChip MC501CB 640×4803.0×3.0 2007MagnaChip MC531EB
2048×15362.2×2.2表 1国外最新发表的部分 CMOS 图像传感器的产品现状
48
光学制造
意法半导体有限公司 (ST2008年 2月推出一款 1/5英寸 1600×1200有效像素的CMOS 图像传感器 VD6725, 采用1.75μm 的像素设计, 这款市场上最小的相机传
感器 VD6725适用于小于 6mm ×6mm ×3.8mm 手机相机模块内, 让手机相机变得更小、更智能 [26]。

美国豪威公司 (OmniVision 于 2005年 8月推出一款 1/6英寸 VGA CMOS 图像传感器 -OV7670。

该器件像素尺寸从4.2μm 减小至3.6μm , 有利于减小模块高度。

它采用 3.8mm ×4.2mm 封装, 可使照相模块的尺寸减至 6mm ×6mm ×4.5mm ,通过 SCCB 接口可提供全帧、欠采样或 8位窗口模式的图像。

所需的图像处理包括曝光控制、 gamma 补偿、白平衡、色饱和度、色彩控制、白像素消除和噪声消除, 都可通过 SCCB 接口编程。

2006年 6月, 公司启动了 1/18英寸传感器OV6920方案,该产品是其领域内最小的传感器芯片 , 2.1mm ×2.3mm 的 CSP 封装可以提供 3.2mm 的微照相机模块,如此微小的尺寸可用于医疗仪器, 并能安装在各种内窥镜中, 而且仅需要 3.3V 直流供电 [27]。

2007年 2月, 公司推出一款 1/10英寸的 VGA CMOS 图像传感器 OV7680。

OV7680独特的非线性微镜头移动技术能缩短传感器与镜头之间的距离, 从而将相机模组的高度减小到仅 3.00mm , 而无损于图像品质或相机性能, 且该图像传感器噪声小、成本低、能耗低、动态范围广 [28]。

美国 Foveon 公司于 2003年推出了产品代号分别为 F7X3-C9110, F19X3-A50的全色 CMOS 图像传感器 [29]。

F7X3-C9110的有效像素为 2268×1512, 具有像素可变、超低功耗 (50mW 、低噪声、抗模糊等特点。

F19X3-A50除具有上述特点外, 片上还具有高达 40MHz 的 12位 A/D转换器和集成数字处理器。

由于采用独特的 X3技术, 该 CMOS 图像传感器感光阵列可在一个像元位置同时获得红、绿、蓝三种颜色信号。

据报道, Foveon 公司和国家半导体公司合作, 2000年 9月采用0.18μm CMOS 工艺首次开发成功了 1600万像素 (4096×4096 CMOS 图像传感器, 像元尺寸为5μm ×5μm , 芯片尺寸为 22mm ×22mm , 其芯片内的晶体管数为7000万个,这是迄今为止全球集成度最高的 CMOS 图像传感器。

这种图像传感器标志着 CMOS 图像传感器在分辨率和质量方面的双重飞跃。

比利时大学微电子中心 (IMEC是全球最著名的半导体研发中心之一, 可支持从0.35μm 到0.13μm 以下的全套数字 CMOS 工艺,并支持与数字 CMOS 配套的可
选模块。

1997年采用0. 5μm 工艺研制出 2048×2048像元 CMOS 有源像素传感器 (CMOS -APS ,像元尺寸为7.5μm ×7.5μm , 芯片尺寸为 16.3mm ×16.3mm , 噪声为 0.25mV (均方根值 , 量子效率值为 4%>QE>2%(400~85nm , 功耗为
100mW ,这是当时所报道的最大像元 CMOS-APS 。

根据 IMEC 所确定的发展
战略 , 2003~2005年研发 45nm CMOS 技术, 2005~2007年研发 32nm 微电子技术。

韩国 MagnaChip 公司于 2003年开始进入 CMOS 图像传感器市场, 2005年收购了 IC Media ,同年 12月, 发布了一款手机专用的 2048×1536像素 CMOS 图像传感器 MC532MA [30], 像元尺寸为2.575μm ×2.575μm , 传感器部分采用最新成像技术, 配有低噪声和最新的图像过滤器,保证了高清晰的成像特质。

MC532MA 可以在 12f/s拍摄动态影片,在 30f/s拍摄 SVGA 格式的高分辨率影片。

2008年 6月, 公司推出了用于电脑、笔记本和手机摄像头应用产品的 VGA 原装拜耳(Bayer 输出 CMOS 图像传感器 MC502ER ,该图像传感器支持 VGA 分辨率,并采用 MagnaChip 的0.13μm CMOS 接触式图像传感器工艺, 来实现先进的低噪点处理, 因此, 其信噪比超过 15dB , 性能要优于目前市场上常见的图像传感器。

5.2国内研究现状
为了在 CMOS 图像传感器技术领域占有一席之地, 国内的西安交通大学、华北工学院、中国科学院微电子研究中心、北京思比科微电子公司、文哗科技香港有限公司、联想企业集团等单位都开展了 CMOS 图像传感器的设计、研制和应用开发等工作, 并取得了较大的进展。

西安交通大学开元微电子科技有限公司已研制成功了 369×287, 768×574, 640×480, 512×512像素 CMOS 图像传感器,像素尺寸均为10.8μm ×10.8μm , 功耗为150~200mW ,并且用该器件开发出了 M-N 型系列 CMOS 微型摄像机和可视电话。

北京中星科技有限公司在推出 30万 ~130万像素 CMOS 数码相机的基础上, 2001年 3月开发出具有自主知识产权及国际一流水准的百万级 CMOS 数码图像处理芯片“ 星光一号” 。

2001年 5月该芯片实现产业化并投入国际市场,并为三
星、飞利浦和富士通等国际知名品牌视频摄像头所采用。

2002年 5月, 公司的
微型数码相机用单芯片 CMOS 图像处理芯片被列为北京市重大高新技术成果转化项目。

2002年 9月, 公司又研制成功了我国第一枚具有世界领先水平的
49
. net
OPTICAL MANUFACTURE 发声图像处理芯片“ 星光二号” ，该芯片首次将音频和视频固化一体并同步工作。

北京思比科微电子公司拥有 6 项发明专利的200 万像素 CMOS 摄像芯片，已于 2006 年 3 月通过技术测试。

该芯片从设计开
发到芯片制造的全部工作均 [31] （MT9P001）、 800 像素（MT9E001）及 900
像素等高清视频捕捉性能。

（MT9N001）（2）高帧速。

由于 CMOS 图像传
感器具有访问灵活的优点 , 所以可以通过只读出感光面上感兴趣的很小区域来
提高帧速率。

斯坦福大学 PDC （Programmable Digital Camera）研究小组开发的单片 PDC, 在 352 × 288 分辨率下 , 其扫描速度可达 10000 f/s ； Dalsa 公司宣称其生产的 CMOS 图像传感器扫描速度最高可达 20000 f/s ； Micron 公
司的 MT9M413C36ST 在 1280 × 1024 分辨率下可以达到 0 ～ 500 f/s 的帧速率 , 部分扫描时可达 10000 f/s ；赛普拉斯半导体公司（Cypress）推出的几款高速CMOS 图像传感器，分辨率涵盖 VGA 级到 1000 万像素的范围，而速度则支持500 f/s 到 10000 f/s 。

（3 ）宽动态范围。

以色列工业大学（Israel Institute of Technology）的 VLSI 系统研究中心将用于 CCD 的自适应敏感技术用于CMOS 传感器中 , 使 CMOS 传感器的整个动态范围可达 84 dB, 并在一个 64 × 64 的芯片上进行了实验。

意法半导体有限公司 (ST 于 2008 年开发出动态范围高
达 120 dB 的车载 CMOS 图像传感器 VL － 5510 ，无论是在进出隧道时明暗急骤VL5510 均可无损提供影变化的情况下还是在暗处，像信息 [34]。

（4）低噪
声。

目前用于科学研究的高性能 CCD 能达到的噪声水平为 3 ～ 5 个电子 , 而CMOS 图像传感器则为 300 ～ 500 个电子。

NASA 的 JPL 实验室采用 APS 技
术的图像传感器的噪声水平已达到 14 个电子。

（5）强抗辐射能力。

比利时 IMEC 公司与欧洲太其抗辐射空总署（ESA）合作研究的 IRIS 系列产品，
能力为 20 krad , 信噪比为 67 dB ,8 位数字读出 , 已用于小卫星的星敏感器；赛普拉斯半导体公司（Cypress）同欧洲太空总署合作开发的 STAR 系列辐射加固 APS, 在 100 kGy 剂量的 Co-60 辐射下 , 暗电流密度不大于 1.5 mA/ cm2, 其抗辐射能力比普通的图像传感器提高了 3 个数量级 [35]，除了能够用于宇航行星跟踪器和太阳传感器等航空领域外， STAR 系列 APS 还可以在核电厂等其他辐射强度较高的场合中一展身手。

（6）多功能、智能化、单芯片数字相机。

CMOS 图像传感器的最大优势是它具有高集成度的技术条件。

理论上，所有图像传感器所需的功能，例如，垂直位移、水平位移、时序控制、相关双采样、模数转换等，都可集成在一块芯片上，制成单芯片相机，而超大规模在国内完成，完全实现了国产化。

公司于 2007 年 3 [28] 月开发成功了中国第一款 320 万像素（QXGA）CMOS 摄像芯片。

该芯片在图像清晰度、色彩鲜明度、功耗等主要技术指标上均达到或超过了国外同类产品的技术水平，性能价格比达到国际领先水平。

该芯片的研制成功，首次实现了国内在该领域的技术突破，填补了国内空白，打破了国外在该领域的长期技术垄断。

重庆大学和重庆光电技术研究所与众不同，他们主要研制和开发 CMOS 多路传感器，该器件主要作 [32] 致冷型和非致冷型红外焦平面阵列（IRFPA）的信号读出电路。

近年来，中国台湾的许多公司在CMOS 图像传感器的研发方面发展较快，并已在国际市场占有一席之（ElecVision Inc.）采用其非同步随地。

台湾宜霖科技机访问 CMOS 成像技术推出了 176×144 像素EVS25K ， 352 ×290 像素 EVS100K， 511 ×492 像素
EVS250K， 644 × 484 像素 EVS330K 及 1280 × 1024 像素 EVS1300K 有源 CMOS 图像传感器。

台湾联华电子公司以0.35 μm 工艺生产 1664 × 1286 像素， 0.25 μm 工艺生产 1728 × 1296 像素应用于高端数码相机的 CMOS 图像传感器。

然而，与国外成熟的生产厂商相比，国内大部分厂商由于缺乏核心技术，即使投入资金再大也无法摆国内厂家产品的技术脱组装加工的地位。

总的来说，水平与国外发达国家相比差距较大，因此加大大规模集成电路工艺的研发力度，优化 CMOS 图像传感器的电路设计，缩短与发达国家的差距刻不容缓。

6 发展趋势目前 ,CMOS 图像传感器的发展趋势主要有以下几个方面 : （1）高分辨率。

Photon Vision Systems 公司于 2002 年 4 月开发出一种 CMOS 图像传感器，
它具有 830 万像素（3840 × 2160）的分辨率，比高清晰度电视的分辨率高 4 倍，比标准电视的分辨率高 32 倍。

Aptina Imaging 于 2008 年 9 月发布了一款用于数码相机、数字视频和混合相机的新型千万像素 CMOS 图像传感器
MT9J001 。

MT9J001 扩充了 Aptina 的高分辨率产 [33] 品阵容，带来了更高的图像质量和 500 万像素 50 激光与光电子学进展 2009.04
光学制造集成电路技术使这种集成成为可能 [36]。

近年的 APS 芯片产品除集成有模拟信号处理功能的电路外，模数转换和外围接口的集成使芯片的智能化程度更高，使单芯片数字相机的概念更加明确。

总之， CMOS 图像传感器正在朝着高灵敏度、高高动态范围、高帧速、集成化、超微型化、低功分辨率、耗、数字化、智能化的方向发展 [37]。

研究人员主要致力于提高 CMOS 图像传感器，尤其是 CMOS 有源像素传感器（CMOS-APS）的综合性能，缩小像元尺寸，调将时钟和控制电路、信号处理电整 CMOS 工艺参数，路， A/D 电路、图像压缩电路等与图像传感器阵列完全集成在一起，并制作滤色片和微透镜阵列，以期实现低成本、低功耗、高度集成的单芯片成像微系统。

据市场研究公司 IC Insights 最新发表的研究报告称，在 2007 年销售收入出现罕见的下滑之后， 2008 年全球图像传感器市场将出现反弹，预计 CMOS 图像传感器 2008 年的销售收入将达到 44 亿美元，比 2007 年增长 19% 。

IC Insights 估计， 2008 年CMOS 图像传感器将占总体图像传感器销售额的 58% ， 2007 和 2004 年分别是53% 与 46% 。

2012 年，预计 CMOS 图像传感器占总体图像传感器销售额的 73% ，占出货量的 83% 。

在未来的几年时间内， CMOS 图像传感器将继续保持强劲增长势头，从 CCD 手中夺得更多的市场份额，在 500 万像素以下的产品中，将开始以 CMOS 图像传感器为主流。

7 结束语随着亚微米、深亚微米和纳米技术工艺的不断发展和器件结构的改进， CMOS 图像传感器的性能将不断提高。

至今，已研制出一系列 CMOS 图像传感器，如 CMOS 无源像素传感器（CMOS-PPS）， CMOS 有源像， CMOS 数字图像传感器素传感器（CMOS -APS）（CMOS-DPS）， CMOS 视觉图像传感器等，其发展十分迅速，已形成与 CCD 图像传感器相竞争的局面。

CMOS 图像传感器不仅应用于第三代手机、可视电话、玩具、安防监控、指纹识别、数码相机、摄像机以及。