什么是cmos图像传感器（深度解读CMOS图像传感器这些知识你都知道吗）

传感器技术(WW_CGQJS)

图像传感器是一种将光信号转换为电信号的器件，在数字电视和可视通信市场有着广泛的应用。20世纪60年代末，在美国贝尔实室发现了电荷通过半导体势阱转移的现象，提出了固态成像新概念和一维CCD(电荷耦合器件)模型器件。到20世纪90年代初，CCD技术变得相对热门并得到广泛应用。

然而，随着CCD应用范围的扩大，其缺点也逐渐暴露出来。首先，CCD技术芯片工艺复杂，无法兼容标准工艺。其次，CCD技术芯片需要高电压功耗，因此CCD技术芯片价格昂贵，使用不便。

目前，最引人注目和最有前途的技术是标准的CMOS(互补金属氧化物半导体)技术来生产图像传感器，即CMOS图像传感器。CMOS图像传感器芯片采用CMOS工艺，可以将图像采集单元和信号处理单元集成在同一芯片上。具有上述特点，适合大规模批量生产，适用于要求体积小、价格低、摄像质量高的应用，如小型安防摄像机、手机、计算机网络文章会议系统、无线手持文章会议系统、条形码扫描仪、传真机、玩具、生物显微计数、部分车载摄像系统等诸多商业领域。

CMOS图像传感器概述

CMOS图像传感器是典型的固态成像传感器，与CCD有着共同的历史渊源。CMOS图像传感器通常由图像传感器阵列、行驱动器、列驱动器、时序控制逻辑、AD转换器、数据总线输出接口、控制接口等组成。这些部件通常集成在同一个硅片上。工作过程可分为复位、光电转换、积分和读出。

其他数字信号处理电路，如AD转换器、自动曝光控制、非均匀补偿、白平衡处理、黑电平控制、伽马校正等。也可以集成在CMOS图像传感器芯片上。为了快速计算，可编程DSP器件和CMOS器件甚至可以集成在一起，形成单芯片数码相机和图像处理系统。

更具体地说，CMOS图像传感器应该是一个图像系统。典型的CMOS图像传感器通常包括：图像传感器内核(将离散信号电平多路复用到单个输出，这与CCD图像传感器非常相似)、所有时序逻辑、单个时钟和芯片中的可编程功能，如增益调整、积分时间、窗口和模数转换器。实际上，当一个设计师买了一个CMOS图像传感器后，得到的是包括图像阵列逻辑寄存器、存储器、定时脉冲发生器、转换器在内的一整套系统。与传统的CCD图像系统相比，将整个图像系统集成在一个芯片上，不仅降低了功耗，还具有重量更轻、占用空间更少、整体价格更低的优点。

CMOS图像传感器的基本工作原理

下图是CMOS图像传感器的功能框图。

首先，外界光线照射像素阵列，产生光电效应，在像素单元内产生相应的电荷。根据需要选择行逻辑单元来选通相应的行像素单元。以行像素为单位的图像信号通过它们各自列的信号总线被传输到相应的模拟信号处理单元和A/D转换器，并被转换成数字图像信号用于输出。行选择逻辑单元可以逐行或隔行扫描像素阵列。行选择逻辑单元和列选择逻辑单元的组合可以实现图像的窗口提取功能。模拟信号处理单元的主要作用是放大信号，提高信噪比。此外，为了获得质量合格的实用相机，芯片必须包含各种控制电路，如曝光时间控制和自动增益控制。为了使芯片中电路的各个部分按照规定的节拍动作，需要使用多个时序控制信号。为了方便摄像头的应用，要求芯片输出一些定时信号，如同步信号、行起始信号、场起始信号等。

一方面，CMOS图像传感器在每个像素位置都有一个放大器，这使得它可以将离散的电荷信号包转换为带宽非常低的电压输出，并且它只需要以帧速率复位。CMOS图像传感器的优点之一是其低带宽和增加的信噪比。由于制造工艺的限制，早期的CMOS图像传感器无法将放大器放在像素位置内。这种被称为PPS的技术噪声性能很差，它还会对CMOS图像传感器造成各种干扰。

然而今天，随着制造技术的提高，可以在像素内部添加复杂的功能。现在，可以在像素位置内添加各种附加功能，例如电子开关、跨阻放大器、相关的双采样保持电路，以降低固定模式的噪声和消除噪声。实际上，在Conexant公司(原Rockwell Semiconductor公司)一款先进的CMOS相机上使用的CMOS图像传感器上，每个像素设计使用了6个晶体管，测得的读出噪声仅为1个均方根电子。然而，随着像素中电路数量的增加，留给光敏二极管的空间逐渐减少。为了避免这个比率(也称为占空因数或填充因数)的降低，一般使用微透镜。这是因为每个像素位置处的微透镜可以改变入射光的方向，使得原本落在连接点或晶体管上的光将返回到光敏二极管区域。

因为电荷被限制在像素内，所以CMOS图像传感器的另一个固有优点是其抗光晕特性。像素位置产生的电压先切换到垂直缓冲器，再传输到输出放大器，因此传输过程中不会出现电荷损失和后续的光晕现象。它的缺点是每个像素中放大器的阈值电压略有不同，会造成固定的图像噪声。但随着CMOS图像传感器结构设计和制造工艺的不断改进，这种影响已经明显减弱。

这种多功能的集成使得很多以前无法使用图像技术的地方现在变得可行，比如儿童玩具、更分散的安全摄像头、嵌入监视器和笔记本电脑监视器的摄像头、带摄像头的移动电路、指纹识别系统，甚至是用于医学图像的一次性摄像头等等。已经被一些设计师考虑。

CMOS图像传感器相关技术

像素结构和工作原理

CMOS图像传感器的光电转换原理与CCD基本相同，其光敏单元受照后产生光生电子。但信号读取方式与CCD不同。每个CMOS源像素传感器单元都有自己的缓冲放大器，可以单独选择和读出。

上图显示了由MOS晶体管和光电二极管组成的像素的结构轮廓。光积分时，MOS晶体管关断，光电二极管产生与入射光强度对应的载流子，并存储在源的P.N结[1]。在积分周期结束时，扫描脉冲施加于MOS晶体管的栅极，使其导通，光电二极管复位到参考电位，使文章电流流过负载，其幅度对应于入射光强度。图2-1在下半部分显示了一个具体的像素结构。从图中可以看出，MOS晶体管源极的pn结起着光电转换和载流子存储的作用。当脉冲信号施加到栅极时，文章信号被读出。

CMOS图像传感器阵列结构

下图是CMOS像素阵列的结构，由水平移位寄存器、垂直移位寄存器和CMOS像素阵列组成。

(1)垂直移位寄存器：2)水平移位寄存器；3一个水平扫描开关；4 a垂直扫描开关；5像素阵列；信号线；7像民院)

下图是CMOS摄像器件的原理框图。

如上所述，每个MOS晶体管用作由水平和垂直扫描电路的脉冲驱动的开关。水平移位寄存器从左到右开启具有水平扫描功能即寻址列功能的MOS晶体管，垂直移位寄存器顺序寻址阵列的每一行。每个像素由一个光电二极管和一个用作垂直开关的MOS晶体管组成。水平开关在水平移位寄存器产生的脉冲作用下依次导通，垂直开关在垂直移位寄存器产生的脉冲作用下依次导通，从而将参考电压(偏置电压)依次施加到像素的光电二极管上。发光二极管产生载流子对结电容放电，这是积分时信号积累的过程。上述开启偏置电压的过程也是信号读取过程。在负载上形成的文章信号与像素上的光强成比例。

CMOS图像传感器的功能结构和工作原理

如图，给出了CMOS图像传感器结构框图的信号流程图。首先，场景通过成像镜头聚焦在图像传感器阵列上，图像传感器阵列是二维像素阵列。每个像素包括一个光电二极管。每个像素中的光电二极管将其阵列表面的光强度转换成电信号，然后由行选择电路和列选择电路选择要操作的像素。像素上的电信号被读出、放大并发送到相关双采样CDS电路进行处理。相关双采样是高质量设备用来消除某些干扰的重要方法。其基本原理是图像传感器引出两个输出，一个是实时信号，一个是参考信号，通过两个信号的差异去除相同或相关的干扰信号。该方法可以降低KTC噪声、复位噪声和固定模式噪声FPN(Fixed Pattern Noise)，同时还可以降低1/f噪声，提高信噪比。此外，它还能完成信号的积分、放大、采样和保持等功能。然后信号输出到模拟/数字转换器，转换成数字信号输出。

CMOS图像传感器结构类型

CCD型和CMOS型固态图像传感器都在光检测中使用硅的光电效应原理。区别在于像素的光生电荷的读出模式。典型的CMOS像素阵列是二维可寻址传感器阵列。传感器的每列连接到位线。行使能线允许所选行中每个敏感单元的输出信号被发送到其对应的位线。位线的末端是多路复用器，根据每列的独立列寻址进行选择。

根据像素结构的不同，CMOS图像传感器可以分为无源像素传感器(PPS)和有源像素传感器(APS)。根据光生电荷产生方式的不同，APS可分为光电二极管型、光栅型和对数响应型。现在，DPS(数字像素传感器)的概念被提出。

无源像素无源传感器

PPS最早出现，结构最简单，使得CMOS图像传感器实用化。其结构原理如图3所示。每个像素包括光电二极管和开关管TX。当TX被选通时，由光电二极管中的照明产生的电荷被传输到列线col，并且列线下端的积分放大器将信号转换成电压输出。光电二极管中产生的电荷与光信号成比例。无源像素具有单元结构简单、寻址简单、填充系数高、量子效率高等优点，但灵敏度低、读出噪声大。所以PPS不利于大阵列的发展，所以限制了它的应用，很快被APS取代。

光敏二极管像素单元

光电二极管像素单元由光电二极管、复位管、源跟随和行选通开关组成。此外，还有电荷溢出门M3，用来增加电路的灵敏度。整个光电二极管的N扩散区产生的光生电荷都可以用一个小电容检测出来，其栅极接一个1V左右的恒压，分析器件工作原理时可以忽略为短路。灵敏的电荷扩散电容器用于收集光生电荷。复位晶体管M4复位光电二极管和电容器，同时充当横向溢出栅极来控制光生电荷的积累和转移。源跟随器M1的作用是放大和缓冲信号，改善APS的噪声问题。源极跟随器还可以加速总线电容的充电和放电，从而允许总线长度增加和像素尺寸增加。所以APS比PPS具有读出噪声更低，读出速率更高的优点，但是像素单元结构复杂，填充系数降低，填充系数一般只有20%到30%。其工作过程如下：首先进入“复位状态”，打开复位管，光电二极管复位；然后进入“采样状态”，复位管闭合，光照射光电二极管产生光生载流子，由源跟随器放大输出；最后进入“读出状态”。此时，行门导通，信号通过列总线输出。

光栅APS

光栅APS是由喷气推进实验室(JPL)首先推出的。其中光敏结构由光栅PG和传输门TX组成。光栅的输出端是漂移扩散端，通过传输门TX与光栅PG隔开。该像素还包括复位晶体管、源极跟随器和行栅极晶体管。当光照射像素单元时，在光栅PG处产生电荷；同时，复位管打开，复位势阱；然后复位管关闭，行门极管打开，复位电信号通过这个通道读出并暂存，然后传输门TX打开，光照产生的电信号通过势阱被读出，两个信号之差就是实像信号。

对数CMOS-APS

对数CMOS-APS具有高动态范围。它由一个光电二极管、一个负载管、一个源跟随器和一个行栅极管组成。负载管的栅极为恒定偏置电压(不一定是电源电压)，像素单元的输出信号与入射光信号成对数关系。它的工作特点是光连续转换成信号电压，没有一般APS那样的复位和积分过程。然而，对数响应CMOS-APS的一个致命缺陷是对器件参数特别是阈值电压非常敏感。

PPS和APS都是在像素外部进行模数(A/D)转换，而DPS将A/D转换集成在每个像素单元中，每个像素单元输出数字信号，因此工作速度更快，功耗更低。

影响CMOS传感器性能的主要问题

噪音

这是影响CMOS传感器性能的首要问题。这种噪声包括FPN(固定模式噪声(FPN)、暗电流噪声、热噪声等。固定图案噪声的原因是由照射到两个不同像素上的相同光束产生的输出信号不完全相同。噪声就是这样产生的。双采样或相关双采样技术可用于处理固定模式噪声。具体来说，这有点像在设计模拟放大器时引入差分对来抑制共模噪声。双采样是读取光照产生的电荷积分信号，暂时存储，然后复位像素单元，再读取这个像素单元的输出信号。两者相减以获得图像信号。两种采样都可以有效地抑制固定模式的噪声。另外，相关双采样需要一个临时存储单元，随着像素的增加，存储单元也会增加。

暗电流

物理设备不可能是理想的。和亚阈值效应一样，由于杂质、热量等原因，即使没有光照射到像素上，像素单元也会产生电荷，这些电荷会产生暗电流。很难区分暗电流和照明产生的电荷。暗电流在像素阵列中的各处并不完全相同，这将导致固定的图案噪声。对于具有积分功能的像素单元，暗电流引起的固定图案噪声与积分时间成正比。暗电流的产生也是一个随机过程，是散粒噪声的一个来源。因此，热噪声元件产生的暗电流等于像素单元中暗电流电子数量的平方根。当使用长期积分单元时，这种噪声成为影响图像信号质量的主要因素。对于昏暗的物体，需要长时间的积分，像素单元的电容容量有限，暗电流电子的积累限制了最长的积分时间。

为了减少暗电流对图像信号的影响，可以先采取降温措施。然而，仅仅冷却芯片是远远不够的，暗电流引起的固定模式噪声也无法通过双采样完全克服。现在有效的方法是从获得的图像信号中减去参考暗电流信号。

像素的饱和度和溢出模糊

类似于由于线性区域的有限范围而具有输入上限的放大器，对于CMOS图像传感器芯片，它也具有输入上限。如果输入的光信号超过这个上限，像素单元就会饱和，无法进行光电转换。对于具有积分功能的像素单元，这个上限由光电积分单元的容量决定；对于没有积分功能的像素单元，这个上限由流过光电二极管或三极管的最大电流决定。当输入光信号饱和时，会出现溢出模糊。溢出是由于像素单元中的光电子饱和，然后流出到相邻的像素单元。图像上反射的模糊是一个特别亮的区域。这有点类似于照片中的过度曝光。在像素单元中加入自动放电管可以克服溢出，放电管可以有效地排出多余的电荷。但这只是限制了溢出，并不能让像素真正还原图像。

CMOS图像传感器参数

1、传感器尺寸

CMOS图像传感器尺寸越大，成像系统尺寸越大，捕获的光子越多，感光性能越好，信噪比越低。目前CMOS图像传感器常见的尺寸有1英寸、2/3英寸、1/2英寸、1/3英寸、1/4英寸等。

2、总像素数和有效像素数

总像素数是指所有像素的总和，总像素数是衡量CMOS图像传感器的主要技术指标之一。在CMOS图像传感器的总像素中，用于有效光电转换和输出图像信号的像素是有效像素。显然，有效总像素数属于总像素数的集合。有效像素的数量直接决定了CMOS图像传感器的分辨率。

3、动态范围

动态范围由CMOS图像传感器的信号处理能力和噪声决定，反映了CMOS图像传感器的工作范围。指CCD的动态范围，其值是输出端信号的峰值电压与均方根噪声电压的比值，通常用DB表示。

4、灵敏度

图像对入射光功率的响应能力称为响应性。对于CMOS图像传感器，电流灵敏度通常用来反映响应能力。电流灵敏度是单位光功率产生的信号电流。

5、分辨率

分辨率是指CMOS图像传感器区分场景中明暗细节的能力。通常用调制传递函数(MTF)表示，也可以用空间频率(lp/mm)表示。

光电响应不均匀性

CMOS图像传感器是一种离散采样成像器件，光电响应的非均匀性定义为标准均匀光照条件下，每个像素固定噪声电压的峰峰值与CMOS图像传感器信号电压的比值。

7、光谱响应特性

CMOS图像传感器的信号电压Vs和信号电流Is是入射光波长的函数。光谱响应特性是指CMOS图像传感器的响应能力与波长之间的关系，它决定了CMOS图像传感器的光谱范围。

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