CIS（CMOS image sensor）是互補金屬氧化物半導(dǎo)體圖像傳感器，也稱CMOS圖像傳感器。CIS是一種光學(xué)傳感器，其功能是將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，并通過讀出電路轉(zhuǎn)為數(shù)字化信號，廣泛應(yīng)用于視覺領(lǐng)域，是攝像頭模組的核心元器件。

簡介

CMOS稱為互補式金屬氧化物半導(dǎo)體（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，縮寫作 CMOS），是一種集成電路的設(shè)計工藝，可以在硅質(zhì)晶圓模板上制出NMOS（n-type MOSFET）和PMOS（p-type MOSFET）的基本元件，由于NMOS與PMOS在物理特性上為互補性，因此被稱為CMOS（Complementary 的來歷）。此一般的工藝上，可用來制作電腦電器的靜態(tài)隨機存取內(nèi)存、微控制器、微處理器與其他數(shù)字邏輯電路系統(tǒng)、以及除此之外比較特別的技術(shù)特性，使它可以用于光學(xué)儀器上，例如互補式金氧半圖像傳感裝置在一些高級數(shù)碼相機中變得很常見。

傳感器可以通過幾種方式進(jìn)行分類，例如其結(jié)構(gòu)類型（CCD或CMOS），色度類型（彩色或單色）或快門類型（全局或滾動快門）。還可以通過分辨率，幀速率，像素大小和傳感器格式對它們進(jìn)行分類。理解這些術(shù)語可以幫助人們更好地了解哪種傳感器最適合其應(yīng)用。無論如何分，圖像傳感器的目的是相同的 —— 將入射光（光子）轉(zhuǎn)換為可以查看，分析或存儲的電信號。圖像傳感器是固態(tài)設(shè)備，并且是機器視覺相機中最重要的組件之一。每年，隨著傳感器尺寸，分辨率，速度和光敏度的改進(jìn)，制造出新的傳感器品種。 本文分為通識和深入部分。只想初步了解的請看通識（圖像傳感器技術(shù)的一些基礎(chǔ)知識，以及它們與它們的分類之間的關(guān)系），較感興趣的請看深入部分。

通識內(nèi)容

組成部分 以下是典型的CMOS圖像傳感器。傳感器芯片與保護(hù)玻璃包裝在一起。Package是一個將傳感器連接到PCB的平臺墊（pads），不同的傳感器采用不同的包裝（Package）。 ?

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CMOS圖像傳感器示意圖 固態(tài)圖像傳感器芯片包含由光敏元件，微透鏡和微電子元件組成的像素。芯片由半導(dǎo)體公司制造，并從晶圓上切割下來。引線鍵（Wire bonds）合將信號從芯片轉(zhuǎn)移到傳感器背面的接觸墊。該包裝（Package）可保護(hù)傳感器芯片和焊線免受物理和環(huán)境損害，提供散熱功能，并包括用于信號傳輸?shù)幕ミB電子設(shè)備。包裝前部的透明窗口稱為蓋玻片（Cover Glass），可保護(hù)傳感器芯片和電線，同時允許光線到達(dá)感光區(qū)域。 相機內(nèi)部的傳感器功能 在照相機系統(tǒng)中，圖像傳感器接收通過透鏡或其他光學(xué)器件聚焦的入射光（光子photons）。根據(jù)傳感器是CCD還是CMOS，它會將信息作為電壓或數(shù)字信號傳輸?shù)较乱患墶MOS傳感器使用片上模數(shù)轉(zhuǎn)換器（Analog to Digital Converter，ADC）將光子轉(zhuǎn)換為電子，然后轉(zhuǎn)換為電壓，最后轉(zhuǎn)換為數(shù)字值。

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典型的CMOS相機布局 根據(jù)相機制造商的不同，所使用的總體布局和組件也會有所不同。這種布局的主要目的是將光轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，然后可以對其進(jìn)行分析以觸發(fā)將來的動作。消費級相機將具有圖像存儲（存儲卡），查看（嵌入式LCD）以及機器視覺相機沒有的控制旋鈕和開關(guān)的其他組件。 CCD與CMOS的不同 CCD傳感器（Charged Couple Device，電荷耦合器件）同時開始和停止所有像素的曝光。這稱為全局快門。CCD然后將該曝光電荷轉(zhuǎn)移到水平移位寄存器，然后將其發(fā)送到浮動擴散放大器。注意：2015年，索尼宣布了計劃在2026年之前停止生產(chǎn)CCD并終止對CCD的支持。CCD的特點有：1. 全局快門，2. 低噪聲，3. 高動態(tài)范圍， 4. 中等幀率，5. Subject to smearing 過去，CMOS傳感器一次只能啟動和停止一行像素的曝光，這被稱為卷簾快門。隨著時間的推移，這種情況發(fā)生了變化，現(xiàn)在市場上有許多全局快門CMOS傳感器可用。CMOS傳感器為每個像素?列使用較小的ADC（下圖紅框），從而提供比CCD高的幀速率。多年來，CMOS傳感器經(jīng)歷了重大改進(jìn)，使大多數(shù)現(xiàn)代CMOS傳感器在圖像質(zhì)量，圖像速度和總體價值方面均與CCD相同或更高。CCD的特點有：1. 全局快門和卷簾快門，2. 非常低的噪音，3. 很高的動態(tài)范圍，4. 很高的幀頻，5. No smearing 單色和彩色傳感器

左：單色傳感器平面。右：帶有拜耳陣列的彩色傳感器平面。 對于右上方所示的顏色傳感器示例，所使用的濾色器陣列是拜耳濾色器。此濾鏡模式使用50％的綠色，25％的紅色和25％的藍(lán)色陣列。雖然大多數(shù)彩色相機使用拜耳濾鏡圖案，但還有其他濾鏡圖案可用，它們具有不同的圖案排列和RGB拆分方式。 圖像傳感器尺寸 圖像傳感器具有不同的格式類型（也稱為光學(xué)類別，傳感器尺寸或類型）和封裝形式。分辨率和像素大小將決定傳感器的整體大小，較大的傳感器比較小的傳感器具有更高的分辨率或更大的像素大小。了解傳感器格式對于選擇照相機的鏡頭和光學(xué)元件很重要。所有鏡頭均針對特定的傳感器格式和分辨率而設(shè)計。請注意，傳感器格式僅描述傳感器芯片的區(qū)域，而不描述整個傳感器。

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從左往右：1/6″, 1/3″, 2/3″, 1″ 以下是CMOS傳感器的示例，其類型為2/3英寸。但是，模具的實際對角線尺寸僅為0.43英寸（11毫米）。當(dāng)前的傳感器“英寸”類型不是傳感器的實際對角線尺寸。傳感器格式類型似乎有些模棱兩可，但實際上是基于舊的視頻攝象機管，英寸測量是指視頻管的外徑。下圖顯示了最常見的傳感器格式類型及其實際傳感器對角線尺寸（毫米）的圖表。 像素大小 像素大小以微米（μm）為單位，并且包括光電二極管和周圍電子設(shè)備的整個面積。CMOS像素由光電二極管（photodiode），放大器（amplifier），復(fù)位門（reset gate），傳輸門（transfer gate）和浮動擴散組成（floating diffusion）。然而，這些元素可能并不總是在每個像素內(nèi)，因為它們也可以在像素之間共享。下圖顯示了CMOS單色和彩色像素的簡化布局。

簡化的CMOS單色和彩色像素結(jié)構(gòu) 通常，較大的像素尺寸對于提高光敏感度更好，因為光電二極管有更大的面積來接收光。如果傳感器格式保持不變，但分辨率提高，則像素尺寸必須減小。盡管這可能會降低傳感器的靈敏度，但像素結(jié)構(gòu)，降噪技術(shù)和圖像處理方面的改進(jìn)已幫助緩解了這種情況。為了更準(zhǔn)確地了解傳感器的靈敏度，最好參考傳感器的spectral response光譜響應(yīng)（quantum efficiency，量子效率）以及其他傳感器性能結(jié)果。 單色和彩色光譜響應(yīng) 由于單色傳感器和彩色傳感器之間的物理差異，以及傳感器制造商的技術(shù)和像素結(jié)構(gòu)之間的差異，因此不同的傳感器將在不同程度上感應(yīng)光。一種更準(zhǔn)確地了解傳感器對光的敏感性的方法是讀取其光譜響應(yīng)圖（也稱為量子效率圖）。 下面的2個圖表是同一傳感器型號的單色和彩色版本。左側(cè)顯示單色傳感器的光譜響應(yīng)，右側(cè)顯示顏色傳感器。X軸是波長（nm），Y軸是量子效率（％）。大多數(shù)機器視覺彩色攝像機都安裝了紅外截止濾光片，以阻擋近紅外波長。這樣可以消除圖像中的IR噪聲和顏色交叉現(xiàn)象，與人眼對顏色的解釋方式最匹配。但是，在許多應(yīng)用中，不使用IR截止濾鏡對圖像進(jìn)行成像可能是有益的。無論是否安裝了紅外截止濾鏡，色彩傳感器都不會像單色傳感器那樣靈敏。

沒有紅外截止濾鏡的單色傳感器（左）和彩色傳感器（右） 量子效率越高，傳感器對光的感知越好。 全局與滾動快門 傳感器的重要功能是其快門類型。電子快門的兩種主要類型是全局快門和滾動快門。這些快門類型在其操作和最終成像結(jié)果上是不同的，尤其是在照相機或目標(biāo)處于運動狀態(tài)時。下圖顯示了全局快門傳感器的曝光時間。所有像素都同時開始和結(jié)束曝光，但讀出仍然逐行進(jìn)行。該定時產(chǎn)生沒有失真或扭曲的圖像。全局快門傳感器對于高速移動物體成像至關(guān)重要。 下圖顯示了卷簾快門傳感器的曝光時間。曝光時間逐行不同，重置和讀出發(fā)生在不同的時間。如果目標(biāo)或相機運動，則此逐行曝光會產(chǎn)生圖像失真。卷簾傳感器為成像靜態(tài)或緩慢移動的物體提供出色的靈敏度。

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深入內(nèi)容

結(jié)構(gòu)

像素結(jié)構(gòu)

像素基礎(chǔ)電路結(jié)構(gòu)

CMOS圖像傳感器中的像素可以看作是由一個光電二極管、光電二極管復(fù)位開關(guān)、信號放大器和輸出電路組成的電路。具有信號放大功能的像素被稱為有源像素。MRS為光電二極管的復(fù)位晶體管、MSEL為位線選擇晶體管、MRD和偏執(zhí)電流負(fù)載形成一個源極跟隨器、Vpix為光電二極管的電壓、VPIXOUT為輸出節(jié)點、CSH為采樣保持電容、CPIX為像素內(nèi)的存儲節(jié)點的電容。源極跟隨器是一種電壓緩沖器，具有電流放大能力，但不進(jìn)行電壓放大。光生電荷由式AV*(CSH/CPIX)得出。其中AV是源極跟隨器的電壓增益(<1)。

X-Y像素尋址方式

視頻信號是通過行（垂直）和列（水平）掃描器對像素陣列進(jìn)行光柵掃描獲得的。一般情況下，行掃描器在每一幀時間內(nèi)產(chǎn)生一個行選擇脈沖和一個復(fù)位脈沖并送入選定行的像素中，列掃描器在每一個行周期掃描各列。CMOS 圖像傳感器中兩種常見的掃描器是移位寄存器和解碼器。移位寄存器的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，翻轉(zhuǎn)噪聲低，在一些改進(jìn)結(jié)構(gòu)中讀出更加靈活。而解碼器具有比移位寄存器更大的掃描靈活性，可以應(yīng)用窗選讀出或跳躍式讀出。

固定模式噪聲抑制

CCD將光生電荷轉(zhuǎn)移到位于CCD寄存器后端的電荷檢測放大器，使得所有信號均通過同樣的放大器后讀出，因此，放大器的失調(diào)保持恒定。另一方面，CMOS 圖像傳感器中的每個像素的放大器都有失調(diào)的波動，這會導(dǎo)致固定模式噪聲的產(chǎn)生。MRD 閾值電壓的波動是該噪聲的主要來源，其大小一般為幾十毫伏。因此，CMOS 圖像傳感器必須增加噪聲抑制電路來抑制失調(diào)的波動。固定模式噪聲抑制的原理如下圖。首先，經(jīng)過一段積分時間后，像素輸出一個包含光生信號和放大器失調(diào)的信號 VSIG，這個信號讀出后被存儲在一個存儲單元中。像素被復(fù)位后輸出一個僅包含放大器失調(diào)的信號VRST，這個信號再次被讀出并存儲在另一個存儲單元中。通過對兩次輸出做差，放大器的失調(diào)可以抵消。應(yīng)該指出的是，由暗電流的變化引起的失調(diào)不能被抑制。

像素尋址和信號處理結(jié)構(gòu)

卷簾式快門和全局快門

功耗對比

CMOS有緣像素技術(shù)

CMOS圖像傳感器的有源像素由一個光電二極管和一個讀出電路構(gòu)成。下面主要是介紹光電二極管的結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的讀出方案。

PN光電二極管像素

PN詳細(xì)見維基百科。 PN光電二極管像素在早期的CMOS 圖像傳感器中比較流行。它只需相對簡單的修改就可以被整合到 CMOS 制造和設(shè)計工藝中，并且這種修改可以通過電路原理圖來表述，從而使圖像傳感器的設(shè)計兼容于通用集成電路設(shè)計環(huán)境中。因此，對于低成本圖像傳感器或小規(guī)模定制化圖像傳感器來講，PN光電二極管像素仍然是劃算的解決方案。雖然噪聲性能通常不如鉗位光電二極管像素，但 PN 光電二極管像素在提供更大的滿阱容量上具有明顯的優(yōu)勢。滿阱容量可以通過增加 PN 光電二極管像素的光電二極管電容得到提升，但是鉗位光電二極管像素的滿阱容量受到光電二極管鉗位電勢的限制。 PN光電二極管結(jié)構(gòu) 光電二極管復(fù)位噪聲（kTC噪音）

硬復(fù)位和軟復(fù)位

復(fù)位晶體管工作在飽和模式下的復(fù)位被稱為“軟復(fù)位"，工作丁線性模式下的復(fù)位則被稱為“硬復(fù)位”。硬復(fù)位的噪聲電平由上式給出。在軟復(fù)位模式下的復(fù)位噪聲被降低到大約 1 / 、，這是復(fù)位期間對電流的整流效果造成的。

? ? 軟復(fù)位的一個缺點是它引人了圖像拖尾，這是由復(fù)位后光電二極管電壓對曝光的依賴引起的，即在有限的復(fù)位時間內(nèi)復(fù)位電壓不足以達(dá)到某一固定電壓值。在軟復(fù)位操作前，注人偏置電荷（稱為“刷新復(fù)位"）可以消除圖像拖尾。復(fù)位噪聲顯著影響暫態(tài)本底噪聲。例如，具有 5fF 電容和 1 V 電壓擺幅的光電二極管，軟復(fù)位的 kTC 噪聲電荷和滿阱容量分別是 28e- 和 32ke- ，這意味著復(fù)位噪聲將最大動態(tài)范圍限制為 61dB。