CMOS图像传感器简介

在本文中，您将学习CMOS图像传感器的基础知识，包括其核心组件，其框图，优缺点以及其应用。

图像传感器是数字成像系统中的主要组成部分之一，并且强烈影响整个系统的性能。图像传感器的两种主要类型是电荷耦合器件（CCD）和CMOS成像器。在本文中，我们将介绍CMOS图像传感器的基础知识。

查看我们关于电荷耦合器件（CCD）图像传感器的系列。您可以从CCD的结构和功能开始。

CMOS光电检测器

大多数CMOS光电检测器基于PN结光电二极管的操作。当光电二极管反向偏置（且反向电压小于雪崩击穿电压）时，与入射光强度成正比的电流分量将流过二极管。该电流分量通常被称为光电流。

由于光电流随光强度线性增加，因此我们可以使用光电二极管来构建光检测器。这种光检测结构的抽象表示如下。

（a）光电探测器的示意图（b）光电流值的变化与时间的关系。图片由Abbas El Gamal提供。

重置开关在曝光周期开始时闭合，以将光电二极管反向偏置到VD电压。接下来，开关断开，并产生与入射光强度成比例的光电流。该电流在毫微微安至皮安安的范围内，并且太小而无法直接测量。如果我们让光电二极管在设定的时间段内（色调）曝光，则电流将在二极管电容CD上积分。所存储的电荷为我们提供了更容易测量的更强的累积信号。此外，合并的平均过程使累积的信号更真实地表示所测量的光强度，尤其是在处理微弱或嘈杂的信号时。

请注意，阱容量Qwell设置CD可以容纳的电荷量的上限。超过一定的光强度时，二极管将饱和，并且累积电荷将等于上图所示的最大值。因此，必须仔细选择整合期。 

应该考虑的另一个非理想效应是，除了光电流之外，还有另一个电流分量称为暗电流流过二极管。暗电流是在没有光的情况下产生的电流。必须使该电流分量最小化，以使器件灵敏度最大化。

CMOS图像传感器的框图

CMOS图像传感器的基本结构如下所示。

图片由Edmund Optics提供。

光电探测器的二维阵列用于感测入射光强度。光电探测器产生的电荷被转换为电压信号，并通过“行选择”和“列选择”开关阵列传递到输出放大器。ADC用于数字化放大后的信号。

为了执行读出，将给定行的像素值并行地传送到一组存储电容器（未在上面示出），然后，顺序地读出这些传送的像素值。

上图显示了APS（有源像素传感器）架构。在APS设备中，每个像素位置不仅包含光电二极管，而且包含放大器。一种称为PPS（无源像素传感器）的更简单的体系结构没有将放大器集成到像素中。在DPS（数字像素传感器）设备中，每个像素都有自己的模数转换器和存储块。因此，DPS体系结构中的像素输出与光强度成比例的数字值。

DPS或示意图像素传感器的示意图。图片由Abbas El Gamal提供。

CMOS图像传感器的优缺点

顾名思义，CMOS图像传感器采用标准的CMOS技术制造。这是一个主要优点，因为它使我们能够将传感器与成像系统所需的其他模拟和数字电路集成在一起。集成解决方案使我们能够降低功耗并提高读出速度。对于其他基于电荷转移和成像优化的专用制造技术的图像传感器技术（例如电荷耦合器件（CCD））则不是这种情况。    

CMOS图像传感器的一个缺点是，读出路径中有多个有源设备会产生随时间变化的噪声。此外，制造上的不一致会导致不同像素的电荷-电压放大器之间的失配。这将导致固定模式的噪声，即使将不同的像素暴露在均匀的照明下，它们也会产生不同的值。

卷帘式文物

对于许多CMOS图像传感器，不同像素行的曝光周期在稍微不同的时间开始。通常，从上到下依次重置行。给定行的积分时间过去后，应开始读取。因此，光积分与复位过程一样，从上到下依次发生。捕获快速移动的物体时，这可能会导致一种称为滚动快门伪影的失真。这是由于以下事实：在捕获所有像素时，具有快速移动物体的场景可能会发生变化。卷帘式伪影在拍摄的场景中表现为某些非刚性或弯曲。下图对此进行了说明。

图片由安森美半导体提供。

现代高端CMOS传感器具有更快的读出速度，可以更轻松地避免这种不理想的影响。此外，还有带有全局快门的CMOS图像传感器，其中所有像素的重置和曝光周期都同时发生。在积分时间结束时，将不同像素的累积电荷同时传输到存储区域以进行进一步处理。由于所有像素的曝光周期都同时发生，因此不会产生滚动快门效果。 

结论

反向偏置的光电二极管产生的电流分量与入射光强度成正比。这些光电探测器的二维阵列可用于实现CMOS图像传感器。CMOS图像传感器中的像素可能具有不同的复杂度。例如，CMOS图像传感器的像素不仅可以包含光电二极管，而且可以包含放大器。DPS（数字像素传感器）设备使用更复杂的像素，其中每个像素都有自己的模数转换器和存储块。

CMOS图像传感器的最重要优点是可以将传感器与成像系统所需的其他模拟和数字电路集成在一起。可能会降低CMOS图像传感器性能的两个噪声源是不同像素组件之间的制造不匹配以及读出路径中有源器件产生的噪声。

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