有源像素CMOS图像传感器

有源像素CMOS 图像传感器

图1示出了有源像素CMO 图像传感器(Active Sensor , APS)的功能结构图

其中成像部分为光极管阵列(Photo Diode Array)

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四场效应管(4T)有源像素CMO 图像传感器的每个像素由光敏二极管、复位管

T 。、转移管T1、源跟随器T 。和行选通开关管T 。组成，如图2所示［9］。

转移管T1，被用来将光敏二极管连接至源跟随器 T3。，并通过复位管T2与

VDD 相连.T3的栅极与T1和T2之间的N+扩散区相连。与3T 结构的APS 相比，减 少了与T3的栅极相关的漏电流效应。源跟随器 T3的作用是实现对信号的放大和缓 冲，改善APS 的噪声问题。T4是用来将信号与列总线相连。其工作过程是：首先进 入“复位状态”，T2打开，对光敏二极管复位；然后进入“取样状态”，T2关闭， 光照射到光敏二极管上产生光生载流子，并通过源跟随器 T3放大输出；最后进入

“读出状态”，这时行选通管 T4打开，信号通过列 总线输出。

CIS 图像传感器

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接触式图像传感器( CIS(Contact Image Sensor) 是90 年代新型图像传感

器。与电荷耦合器件(CCD相比.CIS的优点主要有a无须外加光源、光学透镜等辅助机构b具有尺寸小、重量轻、结构紧凑及便于安装c采用R a 3光源.系统功耗低d采用陶瓷基底.有良好的温度特性。

目前.已有部分传真机及多功能打印机(MFP采用了CIS。世界著名的扫描仪制造商Microtek 公司于1998年底推出了世界上第1台超

薄型平台扫描仪Simscan C3 ,.首次使用CIS。近年来美军及北约的军用传真机及MFP中，相当一部分采用了CIS，近些年来.国外有数家公司致力CIS的研制、生产或相关技术的研究工作。然而.目前CIS技术还不如CCD成熟.CIS的分辨率还不很高. 应用情况还不够理想，但可以预见. 随着CIS 技术的发展.CIS 必将有广阔的应用前景。

CIS的结构组成与原理

图1中给出了CIS头截面剖视图2如图所示.CIS头由LED光源阵列、微自聚焦棒状透镜阵列、光电传感器的阵列、保护玻璃、铝质壳体及聚光棱镜等组成。CIS头的内部组成框图如图2所示.该CIS头物理分辨率为203DPI(8 point/mm),有效扫描宽度为216mm其传感器单元及棒状聚焦透镜一一对应地排成线阵，共有1728个传感单元，可分别检测1728个像素点，VLED和GLEE为内LED阵列的电源和地。SCLK为CIS的扫描控制时钟；SI为启动扫描控制信号，A0为CIS的模拟输出端，工作时CIS 头与扫描文稿直接接触，来自CIS头内LED 阵列的光源经聚光棱镜后照射在扫描文稿上，其反射光经棒状聚焦透镜后照射在CIS头内的光电检测单元上。反射光线的强弱随扫描文稿上被扫描处的黑/白程度

变化。

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Figi 2 CIS head block diagram

线阵CCD 图像传感器的驱动电路设计

CCM 作原理

CCD 是以电荷作为信号，而不同于其他大多数器件是以电流忽而或者电压为信

号，其基本功能是信号电荷的产生、存储、传输和检测。当光入射到 CCD 勺光敏面

时，CCD 首先完成光电转换，即产生于入射光辐射量成线性关系的光电荷。

CCD 勺 工作原理是被摄物体反射光线到 CCD 器件上，CCD 根据光的强弱积聚相应的电荷， 产

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生于光电信号成正比的弱电压信号，经过滤波、放大处理，通过驱动电路输出一个能表示敏感物体光强弱的电信号或标准的视频信号。基于上述将一维光学信息转变为电信号输出的原理，线阵CCD可以实现图像传感器和尺寸测量的功能。图一为

CCD光谱响应曲线

驱动电路的实现

线性CCD TCD1501的主要技术指标如下：像敏单元数为5000;像元尺寸为

7umX7um像元中心距为7um 像元总长为35mn，光谱响应范围为400nn—1000nm 光谱响应峰值波长为550nn，灵敏度为10.4V/lx.s —15.6 V/lx.s 。使CCD S片正常工作的驱动电路的主要有两大功能。一是产生CCD工作所需要的多路时序脉冲，二是对CCD俞出的原始模拟信号进行处理，包括增益放大，差分信号得到单端信号的转换，最后驱动器输出用户所需要的模拟或者视频信息。

目前市场上的普及型扫描仪按光电转换元件的不同，可分为CCD（Charge Coupled Device，光电偶合感应器）扫描仪和CIS（Contact Image Sensor，接触式图像扫描）扫描仪。

前者通过镜头聚焦到CCDk，将光信号转换成电信号成像，后者紧贴扫描稿件表面进行接触式的扫描。

比较两种扫描方式，可以看到作为接触式扫描器件CIS 景深较小，对实物及凹

凸不平的原稿扫描效果较差。CCDm描仪通过镜头聚焦到CCD上直接感光，因此它的景深较CIS 扫描仪要大的多，可以十分方便的进行实物扫描。虽然以前很多人认为CIS扫描仪可以做得非常小巧，CCD3描仪一般显得比较厚重，但是现在一些厂商推出的超薄型CCD扫描仪改变了这一状况，使得原先CIS扫描仪仅有的优势又减弱了许多。

ccDm描仪占据了绝对优势的市场地位，而CIS扫描仪技术突破难度较大，除了在移动应用市场上还有少许空间外，已无其他立足之地，并且会面临来自ccDm 描仪更大的压力。

完成光电转换的部件是感光器件，它是扫描仪的核心，其光电转换特性，如光谱响应、光的稳定性、灵敏度、噪声等，对图像信息的传送是很重要的。

目前扫描仪所使用的感光器件主要有电荷耦合器件(CCD)、接触式图像传感器(CIS) 、光电倍增管(PMT)。

电荷耦合器件CCD

1969年美国贝尔实验室发明CCD(Charge Coupled Device，电荷藕合器件)，

与电脑晶片CMO技术相似，也可作电脑记忆体及逻辑运作晶片。CCD最突出的特点是以电荷作为信号，其基本功能是电荷存储和电荷转移。因此，CCD勺工作过程主要是电荷的产生、存储、传输和检测。CCD勺体积小、造价低，所以广泛应用于扫描仪。

电荷耦合器件CCD t两种，即半导体隔离CCD和硅氧化物隔离CCD它们是通过在一片硅单晶上集成了数千到上万个三极管构成

的，这些三极管分为三列( 分别用红绿蓝三色滤色镜罩住。三极管受到光照后会产生电流，把这些电流排序处理再经放大输出，就实现了光信号和电信号的相互转换。两种类型的CCD比较，硅氧化物隔离CCD比半导体隔离CCD子(因为半导体隔离CCD在三极管间用PN结的电阻来绝缘，临近三极管间会因为隔离电阻较小出现漏电现象，使感光单元所产生的信号相互干扰，导致光电转换时精确度降低。用硅氧化物隔离会大大减小漏电现象，因为硅氧化物(主要是二氧化硅)是绝缘体，能更准确地实现光电转换而减少损失。

扫描仪中感光器件CCD是一种比较成熟的技术，其成本较低，成像质量却越来越高，有些甚至可以与滚筒扫描仪中使用的光电倍增管相媲美，具有极高的性价比。这种扫描技术由于在物体表面成像，具有一定的景深，在扫描凹凸不平的物体时，能够实现一定程度的三维效果。并且采用硅单晶技术的CCD寸周围环境温度的要求较低，适应的范围较广。

接触式图像传感器CIS

1998年一种基于CMO技术的接触式图像传感器CIS (Contact

Image Sensor) 也诞生了。CIS 扫描仪将光源、聚焦镜片及感应器一同固定于一个外罩内，不须调节、预热，所以比CCC扫描仪起动快。CIS扫描仪体积比CC［扫描仪更小，而制造成本也更低。

实际上，接触式图像传感器CIS技术与CCD技术几乎是同时诞生的。早期它的光学分辨率最高只能达到200dpi，曾广泛用在低档手持式黑白扫描仪上。但是与CCD比较，它的噪声大，动态范围小，扫描精度低，因此很快就从扫描仪市场上销声匿迹了，之后只能在传真机上看到它的影子。1998年后，国际扫描仪市场的竞争非常激烈，持续不断的降价使得不少生产厂商严重亏损，于是有些厂家开始另辟捷径，重新搬出了CIS接触式感光器件，并经过改进，使其分辨率达到了

600dpi，然后以新技术的名义推向市场，再加上其生产成本只有CCD勺三分之一，所以采用CIS 的平台式扫描仪开始涌现出来。

CIS 感光器件一般使用制造光敏电阻的硫化镉作感光材料。硫化镉光敏电阻本身漏电大，各感光单元之间干扰大，严重影响清晰度，这是该类产品扫描精度不高的主要原因。它不能使用冷阴极灯管而只能使用LED发光二极管阵列作为光源，这

种光源无论在光色还是在光线的均匀度上都比较差，导致扫描仪的色彩还原能力较低。LED阵列由数百个发光二极管组成，一旦有一个损坏就意味着整个阵列报废，因此这种类型产品的寿命比较短。CIS无法使用镜头成像，只能依靠贴近目标来识别，没有景深，不能扫描实物，只适用于扫描文稿。CIS对周围环境温度的变化比

较敏感，因此对工作环境的温度有一定的要求，环境温度的变化对扫描结果有明显的影响。

虽然有以上种种不足，但是早期CIS型扫描仪也有一个CCD型扫描仪无法比拟的优点，那就是重量很轻，体积特别小，可以使产品做得很薄。市场上早期流行的超薄型扫描仪大多都是采用CIS感光器件。但是随着技术的发展，超薄型CCC扫描仪已经开始走向市场，使CIS扫描仪正在逐渐失去仅有的优势。

光电倍增管PMT(Photo Multiplier Tube)

在各种感光器件中，光电倍增管是性能最好的一种，无论在灵敏度、噪声系数还是动态范围上，都遥遥领先于其他感光器件，而且它的输出信号在相当大范围内保持着高度的线性输出，使输出信号几乎不用做任何修正就可以获得准确的色彩还原。有了良好的线性输出，那么良好的色彩还原能力就有了保证，这在专业领域是非常重要的一项能力。

光电倍增管实际是一种电子管，由光电阴极和一系列的二次电子发射体做成的倍增电极以及阳极组成的。其感光材料主要是由金属铯的氧化物及其他一些活泼金属(一般是镧系金属) 的氧化物共同构成。这些感光材料在光线的照射下能够发射电子，经栅极