圖像傳感器是數(shù)字成像系統(tǒng)的主要構(gòu)建塊之一，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)性能有很大影響。兩種主要類型的圖像傳感器是電荷耦合器件 （CCD） 和 CMOS 成像器。在本文中，我們將了解 CMOS 圖像傳感器的基礎(chǔ)知識(shí)。

查看我們關(guān)于電荷耦合器件 （CCD） 圖像傳感器的系列。您可以從 CCD 的結(jié)構(gòu)和功能開(kāi)始。

1 CMOS 光電探測(cè)器

大多數(shù) CMOS 光電探測(cè)器都基于 PN 結(jié)光電二極管的操作。當(dāng)光電二極管反向偏置（且反向電壓小于雪崩擊穿電壓）時(shí)，與入射光強(qiáng)度成正比的電流分量將流過(guò)二極管。該電流分量通常稱為光電流。

由于光電流隨光強(qiáng)度線性增加，我們可以使用光電二極管來(lái)構(gòu)建光電探測(cè)器。這種光檢測(cè)結(jié)構(gòu)的抽象表示如下所示。

復(fù)位開(kāi)關(guān)在曝光周期開(kāi)始時(shí)閉合，以將光電二極管反向偏置到電壓 VD。接下來(lái)，開(kāi)關(guān)打開(kāi)并產(chǎn)生與入射光強(qiáng)度成正比的光電流。該電流在飛安到皮安的范圍內(nèi)，并且太小而無(wú)法直接測(cè)量。如果我們讓光電二極管暴露在光線下一段時(shí)間，tint，電流將在二極管電容 CD 上積分。存儲(chǔ)的電荷為我們提供了更容易測(cè)量的更強(qiáng)的累積信號(hào)。此外，合并的平均過(guò)程使累積信號(hào)更忠實(shí)地表示測(cè)量的光強(qiáng)度，尤其是在處理微弱或嘈雜的信號(hào)時(shí)。

請(qǐng)注意，阱容量 Qwell 設(shè)置了 CD 可以容納的電荷量的上限。超過(guò)一定的光強(qiáng)，二極管將飽和，累積電荷將等于上圖所示的最大值。因此，必須謹(jǐn)慎選擇整合期。

另一個(gè)應(yīng)考慮的非理想效應(yīng)是，除了光電流之外，還有另一種稱為暗電流的電流分量流過(guò)二極管。暗電流是在沒(méi)有光的情況下產(chǎn)生的電流。必須最小化該電流分量以最大化器件靈敏度。

2CMOS 圖像傳感器框圖

CMOS 圖像傳感器的基本結(jié)構(gòu)如下圖所示。

二維陣列的光電探測(cè)器用于檢測(cè)入射光強(qiáng)度。光電檢測(cè)器產(chǎn)生的電荷被轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，并通過(guò)“行選擇”和“列選擇”開(kāi)關(guān)陣列傳遞到輸出放大器。ADC 用于將放大的信號(hào)數(shù)字化。

為了執(zhí)行讀出，給定行的像素值被并行傳輸?shù)揭唤M存儲(chǔ)電容器（上面未示出），然后這些傳輸?shù)南袼刂当豁樞蜃x出。

上圖顯示了 APS（主動(dòng)像素傳感器）架構(gòu)。在 APS 設(shè)備中，每個(gè)像素位置不僅包含光電二極管，還包含一個(gè)放大器。一種更簡(jiǎn)單的架構(gòu)，稱為 PPS（無(wú)源像素傳感器），不會(huì)將放大器集成到像素中。在 DPS（數(shù)字像素傳感器）設(shè)備中，每個(gè)像素都有自己的模數(shù)轉(zhuǎn)換器和存儲(chǔ)塊。因此，DPS 架構(gòu)中的像素輸出與光強(qiáng)度成正比的數(shù)字值。

3CMOS 圖像傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)

顧名思義，CMOS 圖像傳感器采用標(biāo)準(zhǔn) CMOS 技術(shù)制造。這是一個(gè)主要優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗试S我們將傳感器與成像系統(tǒng)所需的其他模擬和數(shù)字電路集成。集成解決方案使我們能夠降低功耗并提高讀取速度。這與其他圖像傳感器技術(shù)不同，例如電荷耦合器件 （CCD），這些技術(shù)基于針對(duì)電荷轉(zhuǎn)移和成像而優(yōu)化的專用制造技術(shù)。

CMOS 圖像傳感器的一個(gè)缺點(diǎn)是在讀出路徑中有多個(gè)有源器件，它們會(huì)產(chǎn)生時(shí)變?cè)肼暋４送猓圃觳灰恢聲?huì)導(dǎo)致不同像素的電荷電壓放大器之間不匹配。這會(huì)導(dǎo)致固定模式噪聲，即使它們暴露在均勻的照明下，不同的像素也會(huì)產(chǎn)生不同的值。

4滾動(dòng)快門偽像

對(duì)于許多 CMOS 圖像傳感器，不同像素行的曝光周期開(kāi)始的時(shí)間略有不同。通常，行從上到下按順序重置。在給定行的積分時(shí)間過(guò)去后，應(yīng)開(kāi)始讀出。因此，光積分就像重置過(guò)程一樣從上到下依次發(fā)生。在捕捉快速移動(dòng)的物體時(shí)，這會(huì)導(dǎo)致一種稱為滾動(dòng)快門偽影的失真。這是因?yàn)樵诓东@所有像素時(shí)，具有快速移動(dòng)對(duì)象的場(chǎng)景可能會(huì)發(fā)生變化。卷簾快門偽像表現(xiàn)為捕獲場(chǎng)景中的一些非剛性或彎曲。這如下圖所示。

現(xiàn)代高端 CMOS 傳感器具有更快的讀出速率，并且可以更輕松地避免這種非理想效應(yīng)。此外，還有具有全局快門的 CMOS 圖像傳感器，其中所有像素的重置和曝光周期同時(shí)發(fā)生。在積分時(shí)間結(jié)束時(shí)，不同像素的累積電荷同時(shí)轉(zhuǎn)移到存儲(chǔ)區(qū)域以供進(jìn)一步處理。由于所有像素的曝光周期同時(shí)發(fā)生，因此不會(huì)出現(xiàn)卷簾快門效果。

5結(jié)論

反向偏置光電二極管產(chǎn)生與入射光強(qiáng)度成正比的電流分量。這些光電探測(cè)器的二維陣列可用于實(shí)現(xiàn) CMOS 圖像傳感器。CMOS 圖像傳感器中的像素可以具有不同程度的復(fù)雜性。例如，CMOS 圖像傳感器的像素不僅可以包含光電二極管，還可以包含放大器。DPS（數(shù)字像素傳感器）設(shè)備采用更復(fù)雜的像素，其中每個(gè)像素都有自己的模數(shù)轉(zhuǎn)換器和存儲(chǔ)塊。

CMOS 圖像傳感器最重要的優(yōu)勢(shì)是可以將傳感器與成像系統(tǒng)所需的其他模擬和數(shù)字電路集成在一起。會(huì)降低 CMOS 圖像傳感器性能的兩個(gè)噪聲源是不同像素組件之間的制造不匹配以及來(lái)自讀出路徑中的有源器件的噪聲。

編輯：jq