摘要：由于CMOS有源圖像傳感器在單片集成、系統(tǒng)功耗、價(jià)格以及微型化方面都大大優(yōu)于CCD，近年來得到較快進(jìn)展，特別是其抗輻射的性能，使其在空間應(yīng)用方面尤其具有優(yōu)勢(shì)。介紹了CMOS有源圖像傳感器的原理、性能和研究進(jìn)展，重點(diǎn)介紹了在空間領(lǐng)域，特別是星敏感器中的研究進(jìn)展和應(yīng)用現(xiàn)狀。
　　　　
　　引言
　　
　　CMOS有源圖像傳感器從20世紀(jì)90年代問世至今雖然只有10余年的時(shí)間，卻以其潛在的*性能給圖像傳感器領(lǐng)域帶來巨大的沖擊，使CMOS圖像傳感器開始具有了能與CCD相比擬的性能和應(yīng)用發(fā)展空間。由于CMOS有源圖像傳感器，其有源像素單元為每個(gè)像素提供了放大器和讀出電路，使傳感器的性能得到改善，目前，在信噪比、動(dòng)態(tài)范圍等方面的性能已與CCD相近。特別是有源CMOS圖像傳感器只需要單一低壓5V（或3.3V）供電，功耗僅為CCD的1／10以下，片內(nèi)可集成信號(hào)處理電路，使成像系統(tǒng)外圍電路大大簡(jiǎn)化，能滿足消費(fèi)者在小型化、低功耗、價(jià)格性能比等方面的要求，目前，已應(yīng)用于多種商用和工業(yè)領(lǐng)域，而其的輻射加固性能，特別適于空間領(lǐng)域等輻射環(huán)境。
　　
　　1、CMOS有源圖像傳感器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
　　
　　典型的APS有源像元結(jié)構(gòu)內(nèi)有3個(gè)晶體管，分別用于像元的復(fù)位、選擇和電荷電壓轉(zhuǎn)換，具有放大、緩沖和消噪功能，電荷用X-Y地址方式讀出，避免了與電荷轉(zhuǎn)移有關(guān)的缺陷，提高了圖像傳感器的信噪比和靈敏度。其缺點(diǎn)是由于APS的像素內(nèi)有源電路占有像元的表面積，使表面感光面積減小，填充系數(shù)小。
　　
　　CMOS有源圖像傳感器芯片的核心為有源像元構(gòu)成的光敏元陣列和行列選擇，此外是時(shí)序和控制電路及功能電路和模擬信號(hào)的處理與輸出接口等。目前，典型的APS產(chǎn)品一般都集成了相關(guān)雙采樣放大器、曝光、白平衡控制、電源管理模式、可控增益和偏置放大器、A／D轉(zhuǎn)換器，以及輸出串、并口，用以減少成像系統(tǒng)硬件電路的復(fù)雜度、減少接口，同時(shí)，也減小傳感器的重量和體積、降低成本。
　　
　　2、CMOS有源圖像傳感器的研究進(jìn)展
　　
　　2．1 CMOS有源圖像傳感器的降噪技術(shù)
　　
　　噪聲問題是目前制約CMOS圖像傳感器發(fā)展的主要問題。降噪技術(shù)的研究著重從像元內(nèi)結(jié)構(gòu)角度著手，除采用相關(guān)雙采樣電路降低或消除KTC噪聲、復(fù)位噪聲、固定模式噪聲，降低1／f噪聲外，目前，采用的方法主要還有：在像元內(nèi)部四并列連接的光電二極管來增加捕獲電子的能力，使量子效率達(dá)到35％，并能降低漏電流和電容量；在像元電路中采用六晶體管的有源復(fù)位電路，增加2個(gè)晶體管和1個(gè)放大器作為復(fù)位電路，減低復(fù)位噪聲，使其達(dá)到kT／18C，而不增加拖尾。
　　
　　2．2 提高填充系數(shù)
　　
　　采用在像元內(nèi)放置微透鏡，使光線聚焦于光電二極管的有效PN結(jié)，相對(duì)提高像元陣列的有效感光面積，可使填充系數(shù)達(dá)到90％以上。但由于缺少抗反射層處理，只適用于一定角度的入射光，而不適于寬孔徑鏡頭。改進(jìn)的做法是在像元內(nèi)的光敏區(qū)和無效的PN結(jié)之間放置一個(gè)電子屏障，來阻礙無效PN結(jié)收集光生電荷，使光生電荷有機(jī)會(huì)到達(dá)有效PN結(jié)，從而達(dá)到擴(kuò)大感光面積的目的。
　　
　　2．3 提高動(dòng)態(tài)范圍和高速度
　　
　　為了提高動(dòng)態(tài)范圍，采用雙斜率或多斜率光電反映曲線可使動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)到70dB以上，此外，在像元內(nèi)采用五晶體管的對(duì)數(shù)光電反映曲線，可使動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到120dB。為了提高速度，可采用卷簾和同步雙電子快門，而內(nèi)置實(shí)時(shí)快照同步快門技術(shù)，可使禎頻達(dá)到450Hz，可用于運(yùn)動(dòng)分析和科學(xué)高速圖像的分析。
　　
　　2．4 抗輻射能力
　　
　　在空間應(yīng)用的輻射加固APS的像元結(jié)構(gòu)中，加入差分電路使像元的復(fù)位電平和信號(hào)電壓共用一個(gè)信號(hào)通道，這樣電子擾動(dòng)和供電影響對(duì)兩信號(hào)的影響相同，對(duì)輸出信號(hào)不會(huì)產(chǎn)生影響，對(duì)高速芯片和單芯片系統(tǒng)特別有利。目前，F(xiàn)illFactory的STAR系列輻射加固APS，在ZAl100kGy的Co-60輻射下，暗電流密度不大于1.5mA／cm2，其抗輻射能力比普通的圖像傳感器提高了3個(gè)數(shù)量級(jí)。
　　
　　2．5 單芯片數(shù)字相機(jī)
　　
　　CMOS傳感器的zui大優(yōu)勢(shì)是它具有高集成度的技術(shù)條件。理論上，所有圖像傳感器所需的功能，例如：垂直位移、水平位移暫存器、時(shí)序控制、相關(guān)雙采樣、模數(shù)轉(zhuǎn)換等，都可放在集成在一片芯片上，制成單芯片相機(jī)，而超大規(guī)模集成電路技術(shù)使這種集成成為可能。近年的APS芯片產(chǎn)品除集成有模擬信號(hào)處理功能的電路外，模數(shù)轉(zhuǎn)換和外圍接口的集成使芯片的智能化程度更高，使單芯片數(shù)字相機(jī)的概念更加明確。
　　
　　3、CMOSAPS在空間科學(xué)中的應(yīng)用研究
　　
　　CMOSAPS圖像傳感器的空間應(yīng)用研究推動(dòng)了CMOSAPS的研究和發(fā)展，美國、法國、比利時(shí)、俄羅斯等國的研究機(jī)構(gòu)對(duì)CMOSAPS在空間應(yīng)用方面都做了大量的研究。目前，CMOSAPS在空間領(lǐng)域的應(yīng)用研究涉及地球勘測(cè)、遙感成像、星敏感器等星圖像采集功能和飛船可視系統(tǒng)等空間探測(cè)、導(dǎo)航領(lǐng)域，而以在星敏感器中的應(yīng)用研究報(bào)道為多。
　　
　　從20世紀(jì)90年代初期，美國國家航空和宇航中心委托噴氣推動(dòng)實(shí)驗(yàn)室（JPL）對(duì)CMOSAPS和在星敏感器中應(yīng)用進(jìn)行重點(diǎn)研究，*代試驗(yàn)性稱之為Stracker的APS星敏感器，證明了基于CMOSAPS的星敏感器的精度可以滿足要求。JPL研制的典型的CMOS有源圖像傳感器中，代號(hào)為RHAPS的高水平的輻射加固APS，在冷卻條件下，其星敏感器的精度在視星等為5時(shí)可達(dá)0.1像元；代號(hào)為VIDI的超低功耗CMOSAPS是專門為衛(wèi)星有效載荷設(shè)計(jì)的第二代產(chǎn)品，是高集成度的單片相機(jī)，只需3.3V供電，內(nèi)置模數(shù)轉(zhuǎn)換，10位數(shù)字輸出，可編程曝光時(shí)間、分辨力和窗口模式，抗模糊等特點(diǎn)，功耗僅為20mW，數(shù)據(jù)讀出率可達(dá)20兆位／s。
　　
　　比利時(shí)IMEC公司與歐洲宇航局合作研究的IRIS系列產(chǎn)品，其抗輻射能力為20krad，信噪比為67dB，8位數(shù)字讀出，已用于小衛(wèi)星的星敏感器，其星敏感器尺寸僅為62mm×53mm×53mm，精度優(yōu)于30＂/5等星，視場(chǎng)為20°×20°，禎頻10Hz，在相同的光學(xué)條件下，該指標(biāo)*可與CCD相比擬。
　　
　　CMOSAPS目前已應(yīng)用于各種空間科學(xué)研究和空間探測(cè)任務(wù)中。其中，APS用于空間可視監(jiān)控系統(tǒng)是比利時(shí)IMCE生產(chǎn)的FUGA15型APS，應(yīng)用在1997年英國、比利時(shí)IMEC公司的聯(lián)合試驗(yàn)的Afiane502的可視遙感系統(tǒng)（VTS）中。1999年和2000年，IMCE公司的APS產(chǎn)品FU-GA和IRISl作為可視監(jiān)控相機(jī)（visualmonitoringcameras，VMC）分別用于歐洲宇航局的XMM-Newton飛船和ClusterⅡ衛(wèi)星。2003年，在加拿大SciSat發(fā)射的ACE-FIB中的可視系統(tǒng)采用了Fillfactory生產(chǎn)的STAR的輻射加固APS（256×256像元），而其IRISl型APS圖像傳感器則已用于火星車的可視系統(tǒng)中。
　　
　　4、結(jié)束語
　　
　　CMOS圖像傳感器正朝著高分辨力、高靈敏度、寬動(dòng)態(tài)范圍、微型化、數(shù)字化和多功能的方向發(fā)展，并在許多領(lǐng)域中形成了和CCD圖像傳感器相競(jìng)爭(zhēng)的局面。與CCD相比，CMOS圖像傳感器將整個(gè)圖像系統(tǒng)集成在一塊芯片上，具有體積小、重量輕、功耗低、編程方便、易于控制和平均成本低等優(yōu)點(diǎn)。隨著空間飛行器尺寸不斷減小，CMOS圖像傳感器在系統(tǒng)功耗、體積、重量、成本、功能性、抗輻射性能以及可靠性等方面在空間成像領(lǐng)域中會(huì)得到越來越廣泛的應(yīng)用。雖然CMOS取代CCD的說法還為時(shí)過早，但CMOS與CCD平分圖像市場(chǎng)的局面已經(jīng)到來。