摘要：由于CMOS有源圖像傳感器在單片集成、系統功耗、價格以及微型化方面都大大優于CCD，近年來得到較快進展，特別是其抗輻射的性能，使其在空間應用方面尤其具有優勢。介紹了CMOS有源圖像傳感器的原理、性能和研究進展，重點介紹了在空間領域，特別是星敏感器中的研究進展和應用現狀。
　　　　
　　引言
　　
　　CMOS有源圖像傳感器從20世紀90年代問世至今雖然只有10余年的時間，卻以其潛在的*性能給圖像傳感器領域帶來巨大的沖擊，使CMOS圖像傳感器開始具有了能與CCD相比擬的性能和應用發展空間。由于CMOS有源圖像傳感器，其有源像素單元為每個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、動態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，片內可集成信號處理電路，使成像系統外圍電路大大簡化，能滿足消費者在小型化、低功耗、價格性能比等方面的要求，目前，已應用于多種商用和工業領域，而其的輻射加固性能，特別適于空間領域等輻射環境。
　　
　　1、CMOS有源圖像傳感器的結構特點
　　
　　典型的APS有源像元結構內有3個晶體管，分別用于像元的復位、選擇和電荷電壓轉換，具有放大、緩沖和消噪功能，電荷用X-Y地址方式讀出，避免了與電荷轉移有關的缺陷，提高了圖像傳感器的信噪比和靈敏度。其缺點是由于APS的像素內有源電路占有像元的表面積，使表面感光面積減小，填充系數小。
　　
　　CMOS有源圖像傳感器芯片的核心為有源像元構成的光敏元陣列和行列選擇，此外是時序和控制電路及功能電路和模擬信號的處理與輸出接口等。目前，典型的APS產品一般都集成了相關雙采樣放大器、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轉換器，以及輸出串、并口，用以減少成像系統硬件電路的復雜度、減少接口，同時，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展
　　
　　2．1 CMOS有源圖像傳感器的降噪技術
　　
　　噪聲問題是目前制約CMOS圖像傳感器發展的主要問題。降噪技術的研究著重從像元內結構角度著手，除采用相關雙采樣電路降低或消除KTC噪聲、復位噪聲、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位電路，增加2個晶體管和1個放大器作為復位電路，減低復位噪聲，使其達到kT／18C，而不增加拖尾。
　　
　　2．2 提高填充系數
　　
　　采用在像元內放置微透鏡，使光線聚焦于光電二極管的有效PN結，相對提高像元陣列的有效感光面積，可使填充系數達到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。改進的做法是在像元內的光敏區和無效的PN結之間放置一個電子屏障，來阻礙無效PN結收集光生電荷，使光生電荷有機會到達有效PN結，從而達到擴大感光面積的目的。
　　
　　2．3 提高動態范圍和高速度
　　
　　為了提高動態范圍，采用雙斜率或多斜率光電反映曲線可使動態范圍可達到70dB以上，此外，在像元內采用五晶體管的對數光電反映曲線，可使動態范圍達到120dB。為了提高速度，可采用卷簾和同步雙電子快門，而內置實時快照同步快門技術，可使禎頻達到450Hz，可用于運動分析和科學高速圖像的分析。
　　
　　2．4 抗輻射能力
　　
　　在空間應用的輻射加固APS的像元結構中，加入差分電路使像元的復位電平和信號電壓共用一個信號通道，這樣電子擾動和供電影響對兩信號的影響相同，對輸出信號不會產生影響，對高速芯片和單芯片系統特別有利。目前，FillFactory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個數量級。
　　
　　2．5 單芯片數字相機
　　
　　CMOS傳感器的zui大優勢是它具有高集成度的技術條件。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、時序控制、相關雙采樣、模數轉換等，都可放在集成在一片芯片上，制成單芯片相機，而超大規模集成電路技術使這種集成成為可能。近年的APS芯片產品除集成有模擬信號處理功能的電路外，模數轉換和外圍接口的集成使芯片的智能化程度更高，使單芯片數字相機的概念更加明確。
　　
　　3、CMOSAPS在空間科學中的應用研究
　　
　　CMOSAPS圖像傳感器的空間應用研究推動了CMOSAPS的研究和發展，美國、法國、比利時、俄羅斯等國的研究機構對CMOSAPS在空間應用方面都做了大量的研究。目前，CMOSAPS在空間領域的應用研究涉及地球勘測、遙感成像、星敏感器等星圖像采集功能和飛船可視系統等空間探測、導航領域，而以在星敏感器中的應用研究報道為多。
　　
　　從20世紀90年代初期，美國國家航空和宇航中心委托噴氣推動實驗室（JPL）對CMOSAPS和在星敏感器中應用進行重點研究，*代試驗性稱之為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時可達0.1像元；代號為VIDI的超低功耗CMOSAPS是專門為衛星有效載荷設計的第二代產品，是高集成度的單片相機，只需3.3V供電，內置模數轉換，10位數字輸出，可編程曝光時間、分辨力和窗口模式，抗模糊等特點，功耗僅為20mW，數據讀出率可達20兆位／s。
　　
　　比利時IMEC公司與歐洲宇航局合作研究的IRIS系列產品，其抗輻射能力為20krad，信噪比為67dB，8位數字讀出，已用于小衛星的星敏感器，其星敏感器尺寸僅為62mm×53mm×53mm，精度優于30＂/5等星，視場為20°×20°，禎頻10Hz，在相同的光學條件下，該指標*可與CCD相比擬。
　　
　　CMOSAPS目前已應用于各種空間科學研究和空間探測任務中。其中，APS用于空間可視監控系統是比利時IMCE生產的FUGA15型APS，應用在1997年英國、比利時IMEC公司的聯合試驗的Afiane502的可視遙感系統（VTS）中。1999年和2000年，IMCE公司的APS產品FU-GA和IRISl作為可視監控相機（visualmonitoringcameras，VMC）分別用于歐洲宇航局的XMM-Newton飛船和ClusterⅡ衛星。2003年，在加拿大SciSat發射的ACE-FIB中的可視系統采用了Fillfactory生產的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中。
　　
　　4、結束語
　　
　　CMOS圖像傳感器正朝著高分辨力、高靈敏度、寬動態范圍、微型化、數字化和多功能的方向發展，并在許多領域中形成了和CCD圖像傳感器相競爭的局面。與CCD相比，CMOS圖像傳感器將整個圖像系統集成在一塊芯片上，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點。隨著空間飛行器尺寸不斷減小，CMOS圖像傳感器在系統功耗、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域中會得到越來越廣泛的應用。雖然CMOS取代CCD的說法還為時過早，但CMOS與CCD平分圖像市場的局面已經到來。