CMOS图像传感器简介

图像传感器是数字成像系统的主要组成部分之一，对整体系统性能有很大影响。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，我们将了解 CMOS 图像传感器的基础知识。

查看我们的电荷耦合器件 （CCD） 图像传感器系列。您可以从CCD 的结构和功能入手。

CMOS 光电探测器

大多数 CMOS 光电探测器都基于 PN 结光电二极管的工作原理。当光电二极管反向偏置时（反向电压小于雪崩击穿电压），与入射光强度成正比的电流分量将流过二极管。该电流分量通常称为光电流。

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

（a） 光电探测器示例示意图 （b） 光电流值随时间的变化。图片由Abbas El Gamal提供。

复位开关在曝光周期开始时闭合，以将光电二极管反向偏置到电压 VD。接下来，开关打开，产生与入射光强度成正比的光电流。该电流在飞安到皮安的范围内，并且太小而无法直接测量。如果我们让光电二极管暴露在光线下一段时间，tint，电流将在二极管电容 CD 上积分。存储的电荷为我们提供了更易于测量的更强的累积信号。此外，合并的平均过程使累积信号更忠实地表示测得的光强度，尤其是在处理微弱或嘈杂的信号时。

请注意，阱容量 Qwell 设置了 CD 可以容纳的电荷量的上限。超过一定的光照强度，二极管将饱和，累积的电荷将等于值，如上图所示。因此，必须谨慎选择积分期。

另一个应该考虑的非理想效应是，除了光电流之外，还有另一种称为暗电流的电流分量流过二极管。暗电流是在没有光的情况下产生的电流。必须化该电流分量以化器件灵敏度。

CMOS 图像传感器的框图

CMOS图像传感器的基本结构如下图所示。

图片由Edmund Optics提供。

二维光电探测器阵列用于检测入射光强度。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 用于将放大信号数字化。

为了执行读出，给定行的像素值被并行传输到一组存储电容器（上面未示出），然后，这些传输的像素值被顺序读出。

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，还包含放大器。一种称为 PPS（无源像素传感器）的更简单的架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 架构中的像素输出与光强度成比例的数字值。

DPS 或图表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 CMOS 技术制造。这是一个主要优势，因为它允许我们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。其他图像传感器技术并非如此，例如电荷耦合器件 （CCD），它们基于针对电荷转移和成像优化的专用制造技术。

CMOS 图像传感器的一个缺点是读出路径中有几个有源器件会产生时变噪声。此外，制造不一致会导致不同像素的电荷电压放大器之间的不匹配。这会导致固定模式噪声，其中不同的像素即使暴露在均匀的光照下也会产生不同的值。

滚动快门伪影

对于许多 CMOS 图像传感器，不同像素行的曝光周期开始时间略有不同。通常，行从上到下按顺序重置。在给定行的积分时间过去后，它的读数应该开始。因此，光积分从上到下依次发生，就像重置过程一样。在捕捉快速移动的物体时，这可能会导致一种称为滚动快门伪像的失真。这是因为当所有像素都被捕获时，具有快速移动物体的场景可能会发生变化。滚动快门伪影本身表现为捕获场景中的一些非刚性或弯曲。下图对此进行了说明。

现代高端 CMOS 传感器具有更快的读出速率，并且可以更轻松地避免这种不理想的效果。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同时发生。在积分时间结束时，不同像素的累积电荷被同时转移到存储区以供进一步处理。由于所有像素的曝光周期同时发生，因此不会有滚动快门效果。

结论

反向偏置光电二极管产生与入射光强度成正比的电流分量。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以具有不同级别的复杂性。例如，CMOS 图像传感器的像素不仅可以包含光电二极管，还可以包含放大器。DPS（数字像素传感器）设备采用更复杂的像素，其中每个像素都有自己的模数转换器和存储块。

CMOS 图像传感器重要的优势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。可以降低 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的噪声。