本文于2007年7月17-20日在澳大利亞悉尼召開的SMPTE Australia 07 Conference and Exhibition上提交。Copyright 2007 by SMPTE

　　為何CMOS得到采用要花如此之長(zhǎng)的時(shí)間？

　　任何攝像機(jī)的性能無(wú)疑得從采用的成像器開始說起。

　　在高端的成像器應(yīng)用中，人人都走技術(shù)上有可能實(shí)現(xiàn)的極端，原因是在一般的意義上來說我們都處于一種囚徒困境。如果我們不做，競(jìng)爭(zhēng)者將做。

　　在討論CMOS和CCD成像器時(shí)，開始的一個(gè)問題可能是：有可能開發(fā)一種受以下條件限制的CMOS成像器嗎？它應(yīng)該是一個(gè)具有11mm圖像對(duì)角線的1920×1080p30成像器，用它可以開發(fā)一種三成像器的攝像機(jī)，此攝像機(jī)在2000lx、f/11、90%和3200K，30MHz帶寬內(nèi)有54dB的亮度信噪比；它有500%的過曝光容限，可被用于1920×1080i60甚或1280×p60，全都具有經(jīng)得起競(jìng)爭(zhēng)的圖像質(zhì)量。

　　CCD就做到了，只要看看目前市場(chǎng)上的所有攝像機(jī)就清楚這一點(diǎn)。

　　為回答CMOS成像器的這個(gè)問題，需要更仔細(xì)地考查CMOS成像器的歷史。

一. 歷史
　　回顧歷史，我們發(fā)現(xiàn)MOS成像器是由Wecker和Noble于1967年發(fā)明的，比Boyle和Smith在1970年發(fā)明CCD成像器早了3年。圖1顯示20世紀(jì)60年代末MOS開始出現(xiàn)，在70年代初被CCD接過快步超過。只不過是在1995年后（這年CCD到了成熟期），可見的CMOS開始其快速上升。

　　但問題是，“CMOS成像器進(jìn)入市場(chǎng)為什么要花如此長(zhǎng)的時(shí)間，甚至于它們?cè)贑CD前就想到的地方也是如此？”行話是“微影形體尺寸”（LITHOGRAPHIC FEATURE SIZE）。

　　一般地說CCD像素要比CMOS像素簡(jiǎn)單。后者包含多得多的活性元素，如每個(gè)像素有其三晶體管和一光敏二極管的3T像素。

　　對(duì)某一圖像對(duì)角線和像素?cái)?shù)，像素規(guī)模是固定的。例如在2/3’’1920×1080全HDTV成像器的情況下的5?m×5?m。在消費(fèi)市場(chǎng)，人們爭(zhēng)取最小的圖像對(duì)角線，（如在許多數(shù)碼像機(jī)和手機(jī)中），從而使成像器和光學(xué)裝置價(jià)廉。

　　歸納如下：對(duì)某一像素規(guī)模，與CCD相比，CMOS像素要求制造出更小的形體尺寸。

　　對(duì)于2/3英寸成像器，像素尺寸在SDTV約為10?m×10?m，而在HDTV為5?m×5?m。與其它對(duì)角線尺寸相比，此尺寸按比例減小，如1/2英寸和1/3英寸。

　　一篇已經(jīng)很舊但依然非常有效的論文[1]指出微影形體尺寸和像素尺寸間的比例約為20。為支持此結(jié)論，圖2畫出了1993年到2007年期間這2個(gè)參數(shù)。

　　顯然要使HDTV CMOS成像器（5?m像素）可行，需要一種有0.25?m或更小的形體尺寸的CMOS工藝。而這一點(diǎn)僅僅在最近才得以實(shí)現(xiàn)。

　　第一款2/3英寸HDTV CMOS成像器于2001年公開。它強(qiáng)調(diào)了以上的結(jié)論，而且回答了為什么CMOS成像器現(xiàn)在才可用于廣播的問題。

　　一般地說CMOS成像器用于原來采用大格式成像器的較高要求的應(yīng)用，如用于35mm-SLR的成像器。像素比5?m大得多因此更易設(shè)計(jì)和制造。由于有更大的像素區(qū)域，靈敏度問題變小，而且往往既不需要U鏡頭，也不用。

二. 自驗(yàn)預(yù)言
　　許多人相信CMOS成像便宜且質(zhì)量低，但這是一種自驗(yàn)預(yù)言。將在下一章討論的運(yùn)用CCD中已知的解決方案，要求另外的處理步驟和屏蔽，它們導(dǎo)致成像器稍增成本，并且是一個(gè)不易實(shí)現(xiàn)的結(jié)果。

　　在設(shè)計(jì)一種成像器時(shí)，需要處于技術(shù)先進(jìn)地位的參數(shù)永遠(yuǎn)都是類似的，不管是CCD還是CMOS。這些參數(shù)是：
　　（1）時(shí)間噪聲或讀噪聲

　　（2）靈敏度或量子效率及填充因數(shù)

　　（3）Qmax或過曝光容限，它連同讀噪聲確定動(dòng)態(tài)范圍

　　（4）暗電流

　　（5）固定模式噪聲

　　（6）像素間隨機(jī)非一致性或增益差

　　以及程度輕些的與如刮痕、漏泄像素、偏離像素等的問題有關(guān)的全部產(chǎn)物。

　　CCD在改進(jìn)上述所有參數(shù)方面有悠久的歷史。往往是實(shí)現(xiàn)其中一個(gè)參數(shù)的改進(jìn)，同時(shí)保持其它一個(gè)參數(shù)的性能不變或使之更好。因此它們代表了一個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，而CMOS成像器必須符合。

　　攝像機(jī)的性能由其采用的成像器決定，同樣成像器的性能基于像素性能。

　　1.像素內(nèi)的晶體管數(shù)
　　CMOS像素包括若干晶體管和光敏二極管，像素類型以每像素的晶體管數(shù)表示，例如三晶體管像素被表示為3T像素，四晶體管被表示為4T像素，而1.5晶體管像素被表示為1.5T共享的像素。

　　2.靈敏度
　　由于晶體管占據(jù)的區(qū)域，填充因數(shù)（實(shí)際上就是光敏二極管區(qū)與像素區(qū)之比）比100%低得多，50%并不罕見。如果沒有其它任何措施，小填充因數(shù)將導(dǎo)致低靈敏度。

　　這個(gè)獲得在像素/光敏二極管內(nèi)的光問題很久以前已在CCD中得到解決。解決方案是在每個(gè)像素上應(yīng)用U鏡頭。它將光聚焦在光敏二極管上，并再聚焦那些通常落在不靈敏部分的光。它提高效率，填充因數(shù)可達(dá)90%-100%。

　　3.固定模式噪聲
　　早期的IT和FIT CCD遭受LAG。在像素讀操作后，并非全部電荷都被讀出，殘留的電荷被保持，并在下一周期內(nèi)讀出。特別是場(chǎng)景內(nèi)有一最亮點(diǎn)，攝像機(jī)搖攝時(shí)它以一種余暉出現(xiàn)。P+頂層應(yīng)用解決CCD內(nèi)的這個(gè)問題。令人驚訝的是它還解決暗電流和固定模式噪聲問題。現(xiàn)在LAG解決方案已被遺忘，而對(duì)暗電流和FPN的關(guān)系依然存在。CMOS成像器中碰到同樣的LAG和固定模式噪聲問題。光敏二極管內(nèi)同樣的P+頂層又解決表面感應(yīng)的暗電流和固定模式噪聲問題。

　　4.讀噪聲
　　每一個(gè)CMOS像素都有一個(gè)電容性檢測(cè)結(jié)點(diǎn)，與CCD的浮動(dòng)擴(kuò)散相似。這里電荷被轉(zhuǎn)換為電壓（波動(dòng)）。每當(dāng)一個(gè)包含視頻信息的電荷包被自動(dòng)檢測(cè)，準(zhǔn)備用于下一個(gè)電荷包時(shí)，此電容需要重置（放電）。當(dāng)此電容被重置并準(zhǔn)備接受下一個(gè)電荷包時(shí)，就產(chǎn)生了重置噪聲——KTC噪聲。它保持在電容器或檢測(cè)結(jié)點(diǎn)上，一直到下一次活動(dòng)開始。它是一種隨機(jī)的偏移。此噪聲分量非常大。為獲得充足的性能，對(duì)其的擬制是強(qiáng)制性的。此解決方案又在CCD中找到，被稱為相關(guān)雙取樣（CDS）。相關(guān)是由于這種處理包括在電容被重置后的黑色電平取樣以及在電荷被集聚在光敏二極管上時(shí)的重新取樣，并且減去這兩個(gè)電平。電平屬于一個(gè)和相同的重置時(shí)間間隔，因此被相關(guān)。這種噪聲改進(jìn)也可以用到CMOS成像器。還有其它的解決方案消除KTC噪聲，它們被稱為軟重置。遺憾的是它們通常有與LAG相關(guān)的問題。

三. 更多的CMOS問題
　　作為一種中間的結(jié)論，可能有人宣稱CMOS成像中需要解決的若干問題已經(jīng)在CCD中得到解決。

　　CMOS其中一種優(yōu)點(diǎn)是在同一芯片上集成另外電路的可能性。人們可能想到模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器、模擬增益級(jí)，以及存儲(chǔ)器和校正電路。對(duì)于大眾市場(chǎng)，人們甚至發(fā)現(xiàn)了只需1或2個(gè)供電電壓及有光輸入和CVBS輸出的單片PAL或NTSC成像器。

　　許多小公司基于他們?cè)谀M和數(shù)字設(shè)計(jì)上的經(jīng)驗(yàn)努力進(jìn)入CMOS成像器市場(chǎng)。來自代工企業(yè)的成套設(shè)計(jì)工具僅僅有助于實(shí)現(xiàn)不錯(cuò)的DC產(chǎn)量和功能性的AC產(chǎn)量。遺憾的是對(duì)于這些小公司來說，CMOS成像器在成像上而不在模擬或數(shù)字設(shè)計(jì)內(nèi)具有其基本要素。成像部分將設(shè)計(jì)一種CMOS成像器帶入一個(gè)不同的專業(yè)領(lǐng)域。涉及的問題與CCD涉及的完全一樣復(fù)雜，正常的提取工具無(wú)助于事，原因是它們不能應(yīng)付硅芯片（由于它在像素內(nèi)）。各方面的問題如可能的成形、耗盡區(qū)、污染、晶格損傷、接地跳動(dòng)、排出空穴和來自像素的剩余電子。成像器加工中的經(jīng)驗(yàn)和見識(shí)是不可缺少的。

　　代工企業(yè)中提供的基本CMOS工藝的產(chǎn)品已處于一個(gè)高水平，它是運(yùn)行良好的商業(yè)模式所必需的，這為CMOS成像器提供了收益曲線上開始升高的優(yōu)點(diǎn)。僅僅需要另外的成像工藝步驟就能帶來足夠的產(chǎn)量。相比之下，在CCD，人們通常起始于低的產(chǎn)額工程曲線。

四. 圖像對(duì)角線
　　在消費(fèi)市場(chǎng)，有一個(gè)認(rèn)識(shí)傾向是像素越多越好。但在更小的芯片區(qū)內(nèi)更高的像素導(dǎo)致少或極少像素。當(dāng)前的趨勢(shì)是在約2.5mm2，甚至稀有的0.9?m像素都被設(shè)計(jì)出來！

　　在廣播應(yīng)用中，圖像對(duì)角線長(zhǎng)期以來都是2/3英寸，更低程度是1/2英寸。對(duì)角線近年來下降到1/3英寸用于專業(yè)AV等的應(yīng)用。

　　基本問題在于靈敏度。從2/3英寸降至1/2英寸，像素區(qū)2倍縮減。1/3英寸成像器甚至有小4倍的像素區(qū)。因此對(duì)于某一分辨率（讀像素?cái)?shù)量），1/2英寸有1-fstop（光圈孔徑），較低的靈敏度，而1/