CMOS圖像傳感器理解

水流方向從左邊流向右邊，上面有一個(gè)開關(guān)，擰下去的時(shí)候水流停止，擰上去的時(shí)候水流打開。左邊是水流的源頭我們給它起個(gè)名字，叫做源端（就是源頭的意思嘛），右邊是水流出去的地方，也就是說(shuō)水都從這個(gè)地方漏出去了，我們也給它起個(gè)名字叫做漏端。上面的開關(guān)控制著有沒有水從源端流到漏端，像是一個(gè)柵欄一樣，如果這個(gè)柵欄放下來(lái)，就阻斷了水流的流向，如果放上去，正好相反，那我們也給它起個(gè)名字，叫做柵端（但是，這里如果讀作zha四聲，那就太難聽了，查了一下新華字典，這個(gè)字還可以讀作shan一聲，這樣就好聽多了，所以我們一律讀shan一聲）。其實(shí)柵端不僅僅控制有沒有水流，還要控制水流的大小。那怎么控制呢，細(xì)心的人會(huì)發(fā)現(xiàn)開關(guān)上有螺紋，可以控制這個(gè)柵欄下去的深度，從而達(dá)到控制水流大小的目的，這樣就避免了我輕輕一碰開關(guān)，水流就直接流出來(lái)的尷尬。這就是水龍頭的工作原理，我們可以將這個(gè)圖片再簡(jiǎn)化一下。如下

當(dāng)我們對(duì)柵端施加一個(gè)壓力時(shí)，會(huì)控制水流大小從源端流向漏端。

但是這里要注意，這里有三個(gè)狀態(tài)，沒有水的狀態(tài)，很小水量的狀態(tài)（因?yàn)闁哦藟毫μ?#xff0c;沒有完全打開），水量充足狀態(tài)（柵端壓力已經(jīng)把柵欄完全打開）。

CMOS原理

其實(shí)聊到這里我們已經(jīng)了解了CMOS的工作原理，怎么？還不明白?那好吧，我們?cè)贀Q個(gè)名字，比如這樣。

在N型半導(dǎo)體中，在源端和漏端打入N型材料，如果在源端接地（0V），在漏端接一個(gè)相對(duì)較大的正電壓，那么電子流根據(jù)異性相吸的原則也會(huì)從源端流向漏端。你可能會(huì)問(wèn)，那柵端的作用是啥呢？其實(shí)柵端的作用和水龍頭一樣，控制著有沒有電子流或者電子流的大小。我們?cè)佼媯€(gè)圖

當(dāng)我們?cè)跂哦思右粋€(gè)正電壓時(shí)，源端的電子流和柵端的左側(cè)靠的進(jìn)，所以源端的電子流首先往右上角走（因?yàn)槎趸枋羌兘^緣體，所以不會(huì)有源端的電子跑到上面去）。當(dāng)柵端的電壓越大時(shí)，電子就越往右，直到當(dāng)柵端電壓大于某個(gè)值時(shí)，源端的電子流可以流到漏端了。這樣電子流就有一個(gè)完整的通路了。只要源，柵，漏端的電壓不變，電子流會(huì)源源不斷的從源端到漏端，就形成下面這個(gè)圖的樣子~

圖像傳感器是將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的裝置，在數(shù)字電視、可視通信市場(chǎng)中有著廣泛的應(yīng)用。60年代末期，美國(guó)貝爾實(shí)臉室發(fā)現(xiàn)電荷通過(guò)半導(dǎo)體勢(shì)阱發(fā)生轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象，提出了固態(tài)成像這一新概念和一維CCD(Charge-Coupled
Device 電荷耦合器件)模型器件。到90年代初，CCD技術(shù)已比較成熱，得到非常廣泛的應(yīng)用。

但是隨著CCD應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，其缺點(diǎn)逐漸暴露出來(lái)。首先，CCD技術(shù)芯片技術(shù)工藝復(fù)雜，不能與標(biāo)準(zhǔn)工藝兼容。其次，CCD技術(shù)芯片需要的電壓功耗大，因此CCD技術(shù)芯片價(jià)格昂貴且使用不便。

目前，最引人注目，最有發(fā)展?jié)摿Φ氖遣捎脴?biāo)準(zhǔn)的CMOS(Complementary
Metal Oxide Semiconductor 互補(bǔ)金屬氧化物場(chǎng)效應(yīng)管)技術(shù)來(lái)生產(chǎn)圖像傳感器，即CMOS圖像傳感器。CMOS圖像傳感器芯片采用了CMOS工藝，可將圖像采集單元和信號(hào)處理單元集成到同一塊芯片上。由于具有上述特點(diǎn)，它適合大規(guī)模批量生產(chǎn)，適用于要求小尺寸、低價(jià)格、攝像質(zhì)量無(wú)過(guò)高要求的應(yīng)用，如保安用小型、微型相機(jī)、手機(jī)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)視頻會(huì)議系統(tǒng)、無(wú)線手持式視頻會(huì)議系統(tǒng)、條形碼掃描器、傳真機(jī)、玩具、生物顯微計(jì)數(shù)、某些車用攝像系統(tǒng)等大量商用領(lǐng)域。

CMOS圖像傳感器

CMOS圖像傳感器是一種典型的固體成像傳感器，與CCD有著共同的歷史淵源。CMOS圖像傳感器通常由像敏單元陣列、行驅(qū)動(dòng)器、列驅(qū)動(dòng)器、時(shí)序控制邏輯、AD轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)總線輸出接口、控制接口等幾部分組成這幾部分通常都被集成在同一塊硅片上。其工作過(guò)程一般可分為復(fù)位、光電轉(zhuǎn)換、積分、讀出幾部分。

在CMOS圖像傳感器芯片上還可以集成其他數(shù)字信號(hào)處理電路，如AD轉(zhuǎn)換器、自動(dòng)曝光量控制、非均勻補(bǔ)償、白平衡處理、黑電平控制、伽瑪校正等，為了進(jìn)行快速計(jì)算甚至可以將具有可編程功能的DSP器件與CMOS器件集成在一起，從而組成單片數(shù)字相機(jī)及圖像處理系統(tǒng)。

更確切地說(shuō)，CMOS圖像傳感器應(yīng)當(dāng)是一個(gè)圖像系統(tǒng)。一個(gè)典型的CMOS圖像傳感器通常包含：一個(gè)圖像傳感器核心（是將離散信號(hào)電平多路傳輸?shù)揭粋€(gè)單一的輸出，這與CCD圖像傳感器很相似），所有的時(shí)序邏輯、單一時(shí)鐘及芯片內(nèi)的可編程功能，比如增益調(diào)節(jié)、積分時(shí)間、窗口和模數(shù)轉(zhuǎn)換器。事實(shí)上，當(dāng)一位設(shè)計(jì)者購(gòu)買了CMOS圖像傳感器后，他得到的是一個(gè)包括圖像陣列邏輯寄存器、存儲(chǔ)器、定時(shí)脈沖發(fā)生器和轉(zhuǎn)換器在內(nèi)的全部系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的CCD圖像系統(tǒng)相比，把整個(gè)圖像系統(tǒng)集成在一塊芯片上不僅降低了功耗，而且具有重量較輕，占用空間減少以及總體價(jià)格更低的優(yōu)點(diǎn)。

CMOS結(jié)構(gòu)

下圖為CMOS圖像傳感器的功能框圖。

首先，外界光照射像素陣列，發(fā)生光電效應(yīng)，在像素單元內(nèi)產(chǎn)生相應(yīng)的電荷。行選擇邏輯單元根據(jù)需要，選通相應(yīng)的行像素單元。行像素單元內(nèi)的圖像信號(hào)通過(guò)各自所在列的信號(hào)總線傳輸?shù)綄?duì)應(yīng)的模擬信號(hào)處理單元以及A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像信號(hào)輸出。其中的行選擇邏輯單元可以對(duì)像素陣列逐行掃描也可隔行掃描。行選擇邏輯單元與列選擇邏輯單元配合使用可以實(shí)現(xiàn)圖像的窗口提取功能。模擬信號(hào)處理單元的主要功能是對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大處理，并且提高信噪比。另外，為了獲得質(zhì)量合格的實(shí)用攝像頭，芯片中必須包含各種控制電路，如曝光時(shí)間控制、自動(dòng)增益控制等。為了使芯片中各部分電路按規(guī)定的節(jié)拍動(dòng)作，必須使用多個(gè)時(shí)序控制信號(hào)。為了便于攝像頭的應(yīng)用，還要求該芯片能輸出一些時(shí)序信號(hào)，如同步信號(hào)、行起始信號(hào)、場(chǎng)起始信號(hào)等。

從某一方面來(lái)說(shuō)，CMOS圖像傳感器在每個(gè)像素位置內(nèi)都有一個(gè)放大器，這就使其能在很低的帶寬情況下把離散的電荷信號(hào)包轉(zhuǎn)換成電壓輸出，而且也僅需要在幀速率下進(jìn)行重置。CMOS圖像傳感器的優(yōu)點(diǎn)之一就是它具有低的帶寬，并增加了信噪比。由于制造工藝的限制，早先的CMOS圖像傳感器無(wú)法將放大器放在像素位置以內(nèi)。這種被稱為PPS的技術(shù)，噪聲性能很不理想，而且還引來(lái)對(duì)CMOS圖像傳感器的種種干擾。

然而今天，隨著制作工藝的提高，使在像素內(nèi)部增加復(fù)雜功能的想法成為可能。現(xiàn)在，在像素位置以內(nèi)已經(jīng)能增加諸如電子開關(guān)、互阻抗放大器和用來(lái)降低固定圖形噪聲的相關(guān)雙采樣保持電路以及消除噪聲等多種附加功能。實(shí)際上，在Conexant公司（前Rockwell半導(dǎo)體公司）的一臺(tái)先進(jìn)的CMOS攝像機(jī)所用的CMOS圖傳感器上，每一個(gè)像素中都設(shè)計(jì)并使用了6個(gè)晶體管，測(cè)試到的讀出噪聲只有1均方根電子。不過(guò)，隨著像素內(nèi)電路數(shù)量的不斷增加，留給感光二極管的空間逐漸減少，為了避免這個(gè)比例（又稱占空因數(shù)或填充系數(shù)）的下降，一般都使用微透鏡，這是因?yàn)槊總€(gè)像素位置上的微小透鏡都能改變?nèi)肷涔饩€的方向，使得本來(lái)會(huì)落到連接點(diǎn)或晶體管上的光線重回到對(duì)光敏感的二極管區(qū)域。

因?yàn)殡姾杀幌拗圃谙袼匾詢?nèi)，所以CMOS圖像傳感器的另一個(gè)固有的優(yōu)點(diǎn)就是它的防光暈特性。在像素位置內(nèi)產(chǎn)生的電壓先是被切換到一個(gè)縱列的緩沖區(qū)內(nèi)，然后再被傳輸?shù)捷敵龇糯笃髦?#xff0c;因此不會(huì)發(fā)生傳輸過(guò)程中的電荷損耗以及隨后產(chǎn)生的光暈現(xiàn)象。它的不利因素是每個(gè)像素中放大器的閾值電壓都有細(xì)小的差別，這種不均勻性就會(huì)引起固定圖像噪聲。然而，隨著CMOS圖像傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造工藝的不斷改進(jìn)，這種效應(yīng)已經(jīng)得到顯著弱化。

這種多功能的集成化，使得許多以前無(wú)法應(yīng)用圖像技術(shù)的地方現(xiàn)在也變得可行了，如孩子的玩具，更加分散的保安攝像機(jī)、嵌入在顯示器和膝上型計(jì)算機(jī)顯示器中的攝像機(jī)、帶相機(jī)的移動(dòng)電路、指紋識(shí)別系統(tǒng)、甚至于醫(yī)學(xué)圖像上所使用的一次性照相機(jī)等，這些都已在某些設(shè)計(jì)者的考慮之中。

CCD型和CMOS型固態(tài)圖像傳感器在光檢測(cè)方面都利用了硅的光電效應(yīng)原理，不同點(diǎn)在于像素光生電荷的讀出方式。典型的CMOS像素陣列，是一個(gè)二維可編址傳感器陣列。傳感器的每一列與一個(gè)位線相連，行允許線允許所選擇的行內(nèi)每一個(gè)敏感單元輸出信號(hào)送入它所對(duì)應(yīng)的位線上，位線末端是多路選擇器，按照各列獨(dú)立的列編址進(jìn)行選擇。

根據(jù)像素的不同結(jié)構(gòu)，CMOS圖像傳感器可以分為無(wú)源像素被動(dòng)式傳感器（PPS）和有源像素主動(dòng)式傳感器（APS）。根據(jù)光生電荷的不同產(chǎn)生方式APS又分為光敏二極管型、光柵型和對(duì)數(shù)響應(yīng)型，現(xiàn)在又提出了DPS(digital pixel sensor)概念。

CMOS傳感器參數(shù)

1、傳感器尺寸

CMOS圖像傳感器的尺寸越大，則成像系統(tǒng)的尺寸越大，捕獲的光子越多，感光性能越好，信噪比越低。目前，CMOS圖像傳感器的常見尺寸有1英寸、2/3英寸、1/2英寸、1/3英寸、1/4英寸等。

2、像素總數(shù)和有效像素?cái)?shù)

像素總數(shù)是指所有像素的總和，像素總數(shù)是衡量CMOS圖像傳感器的主要技術(shù)指標(biāo)之一。CMOS圖像傳感器的總體像素中被用來(lái)進(jìn)行有效的光電轉(zhuǎn)換并輸出圖像信號(hào)的像素為有效像素。顯而易見,有效像素總數(shù)隸屬于像素總數(shù)集合。有效像素?cái)?shù)目直接決定了CMOS圖像傳感器的分辨能力。

3、靈敏度

圖像傳感器對(duì)入射光功率的響應(yīng)能力被稱為響應(yīng)度。對(duì)于CMOS圖像傳感器來(lái)說(shuō),通常采用電流靈敏度來(lái)反映響應(yīng)能力,電流靈敏度也就是單位光功率所產(chǎn)生的信號(hào)電流。

4、分辨率

分辨率是指CMOS圖像傳感器對(duì)景物中明暗細(xì)節(jié)的分辨能力。通常用調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)來(lái)表示,同時(shí)也可以用空間頻率(lp/mm)來(lái)表示。

5、光電響應(yīng)不均勻性

CMOS圖像傳感器是離散采樣型成像器件,光電響應(yīng)不均勻性定義為CMOS圖像傳感器在標(biāo)準(zhǔn)的均勻照明條件下,各個(gè)像元的固定噪聲電壓峰峰值與信號(hào)電壓的比值。

6、光譜響應(yīng)特性

CMOS圖像傳感器的信號(hào)電壓Vs和信號(hào)電流Is是入射光波長(zhǎng)λ的函數(shù)。光譜響應(yīng)特性就是指CMOS圖像傳感器的響應(yīng)能力隨波長(zhǎng)的變化關(guān)系,它決定了CMOS圖像傳感器的光譜范圍。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的CMOS图像传感器理解的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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