cmos傳感器參數(shù)：CMOS圖像傳感器參數(shù)
CMOS圖像傳感器參數(shù)
CMOS圖像傳感器參數(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(jiàn)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(jiàn),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、動(dòng)態(tài)范圍
動(dòng)態(tài)范圍由CMOS圖像傳感器的信號(hào)處理能力和噪聲決定,反映了CMOS圖像傳感器的工作范圍。參照CCD的動(dòng)態(tài)范圍,其數(shù)值是輸出端的信號(hào)峰值電壓與均方根噪聲電壓之比,通常用DB表示。
4、靈敏度
圖像傳感器對(duì)入射光功率的響應(yīng)能力被稱(chēng)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。
5、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。
6、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。
7、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。
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cmos傳感器參數(shù)：CMOS圖像傳感器基礎(chǔ)知識(shí)和參數(shù)理解
CMOS圖像傳感器的工作原理：每一個(gè) CMOS 像素都包括感光二極管(Photodiode)、浮動(dòng)式擴(kuò)散層(Floating diffusion layer)、傳輸電極門(mén) (Transfer gate)、起放大作用的MOSFET、起像素選擇開(kāi)關(guān)作用的M0SFET.在 CMOS 的曝光階段，感光二極管完成光電轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生信號(hào)電荷，曝光結(jié)束后，傳輸電極門(mén)打開(kāi)，信號(hào)電荷被傳送到浮動(dòng)式擴(kuò)散層，由起放大作用的MOSFET電極門(mén)來(lái)拾取，電荷信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。所以這樣的 CMOS 也就完成了光電轉(zhuǎn)換、電荷電壓轉(zhuǎn)換、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換的三大作用，通過(guò)它我們就能把光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，最終得到數(shù)字信號(hào)被計(jì)算機(jī)讀取，這樣，我們就已經(jīng)擁有了記錄光線(xiàn)明暗的能力，但這還不夠，因?yàn)槲覀冃枰省，F(xiàn)代彩色CMOS 的原理也很簡(jiǎn)單，直接在黑白圖像傳感器的基礎(chǔ)上增加色彩濾波陣列(CFA)，從而實(shí)現(xiàn)從黑白到彩色的成像。很著名的一種設(shè)計(jì)就是Bayer CFA（拜耳色彩濾波陣列）。一個(gè)很有趣的事就是，我們用來(lái)記錄光影的 CMOS, 和我們用來(lái)輸出光影的顯示器，原理也剛好是向相反的，CMOS 把光轉(zhuǎn)化為電信號(hào)最后以數(shù)字格式記錄，顯示器把解碼的數(shù)字格式從電信號(hào)重新轉(zhuǎn)化為光。光電之間的轉(zhuǎn)換也就構(gòu)成了我們?nèi)祟?lèi)數(shù)字影像的基礎(chǔ)。
當(dāng)前主流的CMOS廠商有：索尼、三星、豪威、格科微、思特威、安森美等公司。
常見(jiàn)的色彩濾波陣列：RGGB：一個(gè)紅光、一個(gè)藍(lán)光、兩個(gè)綠光濾波器
每個(gè)像素只能感應(yīng)一種顏色的光，但是我對(duì)外輸出的時(shí)候，需要知道這個(gè)像素的rgb值，我就只能通過(guò)周?chē)袼厝ビ?jì)算，這個(gè)計(jì)算和轉(zhuǎn)換是靠ISP去完成的。進(jìn)從而得出我這個(gè)像素的RGB的值，這樣我每個(gè)像素雖然只感應(yīng)了一種光，但是每個(gè)像素經(jīng)過(guò)處理后傳輸?shù)酵饷婧缶褪怯蠷GB的信息了。這些原始的感光數(shù)據(jù)成為RAW data。
RCCC：75% 部分為透?jìng)?，其?25% 為感受紅光的濾波器。RCCC 的優(yōu)點(diǎn)是光靈敏度高，適用于弱光環(huán)境。由于 RCCC 只有紅色光濾波器，因此主要用在對(duì)于紅色標(biāo)識(shí)敏感的場(chǎng)合，比如交通燈檢測(cè)。
RCCB：50% 部分為透?jìng)鳎溆嗉t光藍(lán)光濾波器各占 25%。RCCB 的弱光敏感性比 RCCC 稍差（Clear 部分少），但它分辨色彩的能力更好，采集的圖像既可以用于機(jī)器分析，也可以用于人眼觀察。
Mono：100% 透?jìng)?，它不能分辨色彩。Mono 配置的弱光靈敏度最高，僅用于對(duì)顏色無(wú)識(shí)別要求的場(chǎng)合，如駕駛員狀態(tài)檢測(cè)等。
幾個(gè)重要參數(shù)的理解
1、傳感器尺寸：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(jiàn)尺寸有1、2/3、1/2、1/3、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(jiàn)，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圖像傳感器的能力。
3、動(dòng)態(tài)范圍：動(dòng)態(tài)范圍由CMOS圖像傳感器的信號(hào)處理能力和噪聲決定，反映了CMOS圖像傳感器的工作范圍。其數(shù)值是輸出端的信號(hào)峰值電壓與均方根噪聲電壓之比，通常用DB表示。
4、分辨率：對(duì)景物中明暗細(xì)節(jié)的分辨能力。
5、像元尺寸也就是像素的大?。菏侵感酒裨嚵猩系拿總€(gè)像素的實(shí)際物理尺寸，通常的尺寸包括14um、10um、9um、7um、6.45um、3.75um、3.0um、2.0um、1.75um、1.4um、1.2um、1.0um等，像元尺寸從某種程度上反映了芯片的對(duì)光的響應(yīng)能力，像元尺寸越大，能夠接收到的光子數(shù)量越多，在同樣的光照條件和曝光時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的電荷數(shù)量越多。對(duì)于弱光成像而言，像元尺寸是芯片靈敏度的一種表征。
6、靈敏度：靈敏度是芯片的重要參數(shù)之一，它具有兩種物理意義。一種是光器件的光電轉(zhuǎn)換能力，與響應(yīng)率的意義相同。即芯片的靈敏度指在一定的光譜范圍內(nèi)，單位曝光量的輸出信號(hào)電壓（電流），單位可以為納安/勒克斯nA/Lux、伏/瓦（V/W）、伏/勒克斯（V/Lux）、伏/流明（V/lm）。另一種是指器件所能傳感的對(duì)地輻射功率（或照度），與探測(cè)率的意義相同，單位可用瓦（w）或勒克斯（Lux）表示。
7、壞點(diǎn)數(shù)，由于受到制造工藝的限制，對(duì)于有幾百萬(wàn)像素點(diǎn)的傳感器而言，所有的像元都是好的情況幾乎不可能，壞點(diǎn)數(shù)是指芯片中壞點(diǎn)（不能有效成像的像元或相應(yīng)不一致性大于參數(shù)允許的范圍的像元）的數(shù)量，壞點(diǎn)數(shù)是衡量芯片質(zhì)量的重要參數(shù)。
8、光譜效應(yīng)，指芯片對(duì)于不同光波長(zhǎng)光線(xiàn)的響應(yīng)能力。
技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，體積小型化及高像素化仍是業(yè)界積極研發(fā)的目標(biāo)。因?yàn)橄袼爻叽缧t圖像產(chǎn)品的分辨率越高、清晰度越好、體積越小，其應(yīng)用面更廣泛。
9、CRA角度：從鏡頭的傳感器一側(cè)，可以聚焦到像素上的光線(xiàn)的最大角度被定義為主光角（CRA），鏡頭軸心線(xiàn)附近接近零度，與軸心線(xiàn)的距離越大，角度也隨之增大。CRA與像素在傳感器的位置是相關(guān)的。如果lens的CRA小于sensor的CRA，一定會(huì)有偏色現(xiàn)象。
10、動(dòng)態(tài)范圍：測(cè)量了圖像傳感器在同一張照片中同時(shí)捕獲光明和黑暗物體的能力，通常定義為最亮信號(hào)與最暗信號(hào)比值的對(duì)數(shù)。
11、IR cut（濾除紅外光）
如果沒(méi)有，圖像就會(huì)明顯偏紅，這種色差是沒(méi)法用軟件來(lái)調(diào)整的。
12、快門(mén)
Global Shutter（全局快門(mén)）與Rolling Shutter（卷簾快門(mén)）對(duì)應(yīng)全局曝光和卷簾曝光模式。卷簾快門(mén)逐行曝光的方式，全局快門(mén)是全部像素同時(shí)曝光，所以全局快門(mén)能夠拍運(yùn)動(dòng)的物體而不產(chǎn)生形變，因?yàn)槿挚扉T(mén)在每一個(gè)像素上添加了一個(gè)存儲(chǔ)單元
13、像素技術(shù)
FSI：前照式, 光是從前面的金屬控制線(xiàn)之間進(jìn)入，然后再聚焦在光電檢測(cè)器上。
BSI：背照式，光線(xiàn)無(wú)需穿過(guò)金屬互連層,優(yōu)勢(shì)大，比較有前景。
BSI在低照條件下的成像亮度和清晰度都比FSI有更大的優(yōu)勢(shì)。
傳統(tǒng)的CMOS圖像傳感器是前照式結(jié)構(gòu)的，自上而下分別是透鏡層、濾色片層、線(xiàn)路層、感光元件層。采取這個(gè)結(jié)構(gòu)時(shí)，光線(xiàn)到達(dá)感光元件層時(shí)必須經(jīng)過(guò)線(xiàn)路層的開(kāi)口，這里易造成光線(xiàn)損失。
而背照式把感光元件層換到線(xiàn)路層的上面，感光層只保留了感光元件的部分邏輯電路，這樣使光線(xiàn)更加直接的進(jìn)入感光元件層，減少了光線(xiàn)損失，比如光線(xiàn)反射等。因此在同一單位時(shí)間內(nèi)，單像素能獲取的光能量更大，對(duì)畫(huà)質(zhì)有明顯的提升。不過(guò)該結(jié)構(gòu)的芯片生產(chǎn)工藝難度加大，良率下降，成本相對(duì)高一點(diǎn)。
堆棧式（stack）：堆棧式是在背照式上的一種改良，是將所有的線(xiàn)路層挪到感光元件的底層，使開(kāi)口面積得以最大化，同時(shí)縮小了芯片的整體面積。對(duì)產(chǎn)品小型化有幫助。另外，感光元件周邊的邏輯電路移到底部之后，理論上看邏輯電路對(duì)感光元件產(chǎn)生的效果影響就更小，電路噪聲抑制得以?xún)?yōu)化，整體效果應(yīng)該更優(yōu)。業(yè)內(nèi)的朋友應(yīng)該了解相同像素的堆棧式芯片的物理尺寸是比背照式芯片的要小的。但堆棧式的生產(chǎn)工藝更大，良率更低，成本更高。索尼的IMX214（堆棧式）和IMX135（背照式）或許很能說(shuō)明上述問(wèn)題。
索尼的STARVIS:基于BSI的應(yīng)用于監(jiān)控?cái)z像機(jī)的技術(shù)，在可見(jiàn)光和近紅外光區(qū)域?qū)崿F(xiàn)高畫(huà)質(zhì)。
索尼的Pregius：將BSI技術(shù)和全局快門(mén)結(jié)合一起。
Tetracelll:四合一像素技術(shù)
三星的ISOCELL:基于BSI，通過(guò)在圖像傳感器里的像素之間形成一道絕物理性絕緣體，來(lái)有效的防止進(jìn)入像素的光信號(hào)外漏。
OV的PureCel：基于BSI和先進(jìn)的4-單元像素內(nèi)合并模式。
OV的OmniBSI：基于BSI，像素緊湊，減少像素的串?dāng)_問(wèn)題。
思特威的smartGS：基于BSI應(yīng)用于全局快門(mén)。
思特威的SmartPixel?：基于BSI，適用于安防監(jiān)控行業(yè)的Rolling Shutter產(chǎn)品系列。
思特威的SmartClarity?：基于BSI，具備出色的夜視性能。
14、傳輸接口
MIPI: 移動(dòng)行業(yè)處理器接口，是MIPI聯(lián)盟發(fā)起的為移動(dòng)應(yīng)用處理器制定的開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)。串行數(shù)據(jù)，速度快，抗干擾，主流。
LVDS：低壓差分信號(hào)技術(shù)接口。
DVP：并口傳輸，速度較慢，傳輸?shù)膸挼汀?br/>
Parallel：并行數(shù)據(jù)，含12位數(shù)據(jù)信號(hào)，行場(chǎng)同步信號(hào)和時(shí)鐘信號(hào)。
HISPI:高速像素接口，串行數(shù)據(jù)。
SLVS-EC: 由 SONY 公司定義，用于高幀率和高分辨率圖像采集，它可以將高速串行的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為 DC（Digital Camera）時(shí)序后傳遞給下一級(jí)模塊 VICAP（Video Capture）。SLVS-EC 串行視頻接口可以提供更高的傳輸帶寬，更低的功耗，在組包方式上，數(shù)據(jù)的冗余度也更低。在應(yīng)用中 SLVS-EC 接口提供了更加可靠和穩(wěn)定的傳輸。
15、封裝
BGA: 球形觸點(diǎn)陳列，表面貼裝型封裝。球柵網(wǎng)格陣列封裝.
LGA: 平面網(wǎng)格陣列封裝.
PGA: 插針網(wǎng)格陣列封裝.
CSP: 芯片級(jí)封裝的意思.
COB: 將裸芯片用導(dǎo)電或非導(dǎo)電膠粘附在互連基板上，然后進(jìn)行引線(xiàn)鍵合實(shí)現(xiàn)其電連接。
Fan-out：扇出晶圓級(jí)封裝。
PLCC：帶引線(xiàn)的塑料芯片載體.表面貼裝型封裝。
TSV: TSV技術(shù)本質(zhì)上并不是一種封裝技術(shù)方案，而只是一種重要的工具，它允許半導(dǎo)體裸片和晶圓以較高的密度互連在一起。
cmos傳感器參數(shù)：【原】深度解讀CMOS圖像傳感器
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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(xiàn)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(chē)用攝像系統(tǒng)等大量商用領(lǐng)域。
CMOS圖像傳感器概述
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(xiàn)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(mǎi)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圖像傳感器基本工作原理
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(xiàn)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?xún)?nèi)。這種被稱(chēng)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?，F(xiàn)在，在像素位置以?xún)?nèi)已經(jīng)能增加諸如電子開(kāi)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(chēng)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€(xiàn)的方向，使得本來(lái)會(huì)落到連接點(diǎn)或晶體管上的光線(xiàn)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(xún)?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?，因此不?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。
CMOS圖像傳感器相關(guān)技術(shù)
像元結(jié)構(gòu)和工作原理
CMOS圖像傳感器的光電轉(zhuǎn)換原理與CCD基本相同，其光敏單元受到光照后產(chǎn)生光生電子。而信號(hào)的讀出方法卻與CCD不同，每個(gè)CMOS源像素傳感單元都有自己的緩沖放大器，而且可以被單獨(dú)選址和讀出。
下圖上部給出了MOS三極管和光敏二極管組成的相當(dāng)于一個(gè)像元的結(jié)構(gòu)剖面，在光積分期間，MOS三極管截止，光敏二極管隨入射光的強(qiáng)弱產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的載流子并存儲(chǔ)在源極的P．N結(jié)部位上[1]。當(dāng)積分期結(jié)束時(shí)，掃描脈沖加在MOS三極管的柵極上，使其導(dǎo)通，光敏二極管復(fù)位到參考電位，并引起視頻電流在負(fù)載上流過(guò)，其大小與入射光強(qiáng)對(duì)應(yīng)。圖2-1下部給出了-個(gè)具體的像元結(jié)構(gòu)，由圖可知，MOS三極管源極P．N結(jié)起光電變換和載流子存儲(chǔ)作用，當(dāng)柵極加有脈沖信號(hào)時(shí)，視頻信號(hào)被讀出。
CMOS圖像傳感器陣列結(jié)構(gòu)
下圖所示的是CMOS像敏元陣列結(jié)構(gòu)，它由水平移位寄存器、垂直移位寄存器和CMOS像敏元陣列組成。
（1一垂直移位寄存器：2一水平移位寄存器；3一水平掃描開(kāi)關(guān)；4一垂直掃描開(kāi)關(guān)；5一像敏元陣列；6一信號(hào)線(xiàn)；7一像敏元）
下圖是CMOS攝像器件的原理框圖。
如前所述，各MOS晶體管在水平和垂直掃描電路的脈沖驅(qū)動(dòng)下起開(kāi)關(guān)作用。水平移位寄存器從左至右順次地接通起水平掃描作用的MOS晶體管，也就是尋址列的作用，垂直移位寄存器順次地尋址列陣的各行。每個(gè)像元由光敏二極管和起垂直開(kāi)關(guān)作用的MOS晶體管組成，在水平移位寄存器產(chǎn)生的脈沖作用下順次接通水平開(kāi)關(guān)，在垂直移位寄存器產(chǎn)生的脈沖作用下接通垂直開(kāi)關(guān)，于是順次給像元的光敏二極管加上參考電壓(偏壓)。被光照的二極管產(chǎn)生載流子使結(jié)電容放電，這就是積分期間信號(hào)的積累過(guò)程。而上述接通偏壓的過(guò)程同時(shí)也是信號(hào)讀出過(guò)程。在負(fù)載上形成的視頻信號(hào)大小正比于該像元上的光照強(qiáng)弱。
CMOS圖像傳感器的功能結(jié)構(gòu)及工作原理
如圖所示，給出了CMOS圖像傳感器結(jié)構(gòu)框圖信號(hào)流程圖，首先，景物通過(guò)成像透鏡聚焦到圖像傳感器陣列上，而圖像傳感器陣列是一個(gè)二維的像素陣列，每一個(gè)像素上都包括一個(gè)光敏二極管，每個(gè)像素中的光敏二極管將其陣列表面的光強(qiáng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后通過(guò)行選擇電路和列選擇電路選取希望操作的像素，并將像素上的電信號(hào)讀取出來(lái)，放大后送相關(guān)雙采樣CDS電路處理，相關(guān)雙采樣是高質(zhì)量器件用來(lái)消除一些干擾的重要方法，其基本原理是由圖像傳感器引出兩路輸出，一路為實(shí)時(shí)信號(hào)，另外一路為參考信號(hào)，通過(guò)兩路信號(hào)的差分去掉相同或相關(guān)的干擾信號(hào)，這種方法可以減少KTC噪聲、復(fù)位噪聲和固定模式噪聲FPN(Fixed Pattern Noise)，同時(shí)也可以降低1／f噪聲，提高了信噪比，此外，它還可以完成信號(hào)積分、放大、采樣、保持等功能。然后信號(hào)輸出到模擬／數(shù)字轉(zhuǎn)換器上變換成數(shù)字信號(hào)輸出。
CMOS圖像傳感器結(jié)構(gòu)類(lèi)型
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(xiàn)相連，行允許線(xiàn)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(xiàn)上，位線(xiàn)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。
無(wú)源像素被動(dòng)式傳感器
PPS出現(xiàn)得最早，結(jié)構(gòu)也最簡(jiǎn)單，使得CMOS圖像傳感器走向?qū)嵱没浣Y(jié)構(gòu)原理如圖3所示。每一個(gè)像素包含一個(gè)光敏二極管和一個(gè)開(kāi)關(guān)管TX。當(dāng)TX選通時(shí)，光敏二極管中由于光照產(chǎn)生的電荷傳送到了列線(xiàn)col,列線(xiàn)下端的積分放大器將該信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓輸出，光敏二極管中產(chǎn)生的電荷與光信號(hào)成一定的比例關(guān)系。無(wú)源像素具有單元結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尋址簡(jiǎn)單、填充系數(shù)高、量子效率高等優(yōu)點(diǎn)，但它靈敏度低、讀出噪聲大。因此PPS不利于向大型陣列發(fā)展，所以限制了應(yīng)用，很快被APS代替
光敏二極管像素單元
光敏二極管像素單元是由光敏二極管，復(fù)位管，源跟隨和行選通開(kāi)關(guān)管組成，此外還有電荷溢出門(mén)管M3，M3的作用是增加電路的靈敏度，用一個(gè)較小的電容就能夠檢測(cè)到整個(gè)光敏二極管的n+擴(kuò)散區(qū)所產(chǎn)生的全部光生電荷，它的柵極接約1V的恒定電壓，在分析器件工作原理時(shí)可以忽略將其看成短路。電荷敏感擴(kuò)散電容用做收集光生電荷。復(fù)位管M4對(duì)光敏二極管和電容復(fù)位，同時(shí)作為橫向溢出門(mén)控制光生電荷的積累和轉(zhuǎn)移。源跟隨器M1的作用是實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的放大和緩沖，改善APS的噪聲問(wèn)題。源跟隨器還可加快總線(xiàn)電容的充放電，因而允許總線(xiàn)長(zhǎng)度增加和像素規(guī)模增大。因此，APS比PPS具有低讀出噪聲和高讀出速率等優(yōu)點(diǎn)，但像素單元結(jié)構(gòu)復(fù)雜，填充系數(shù)降低，填充系數(shù)一般只有20%到30%。它的工作過(guò)程是：首先進(jìn)入“復(fù)位狀態(tài)”，復(fù)位管打開(kāi)，對(duì)光敏二極管復(fù)位；然后進(jìn)入“取樣狀態(tài)”，復(fù)位管關(guān)閉，光照射到光敏二極管上產(chǎn)生光生載流子，并通過(guò)源跟隨器放大輸出；最后進(jìn)入“讀出狀態(tài)”，這時(shí)行選通管打開(kāi)，信號(hào)通過(guò)列總線(xiàn)輸出。
光柵型APS
光柵型APS是由美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）首先推出的。其中感光結(jié)構(gòu)由光柵PG 和傳輸門(mén)TX構(gòu)成。光柵輸出端為漂移擴(kuò)散端，它與光柵PG被傳輸門(mén)TX隔開(kāi)。像素單元還包括一個(gè)復(fù)位晶體管，一個(gè)源跟隨器和一個(gè)行選通晶體管。當(dāng)光照射在像素單元時(shí)，在光柵PG處產(chǎn)生電荷；與此同時(shí)，復(fù)位管打開(kāi)，對(duì)勢(shì)阱復(fù)位；然后復(fù)位管關(guān)閉，行選通管打開(kāi)，復(fù)位后的電信號(hào)由此通路被讀出并暫存起來(lái)，之后傳輸門(mén)TX打開(kāi)，光照產(chǎn)生的電信號(hào)通過(guò)勢(shì)阱并被讀出，前后兩次的信號(hào)差就是真正的圖像信號(hào)。
對(duì)數(shù)響應(yīng)型CMOS-APS
對(duì)數(shù)響應(yīng)型CMOS-APS擁有很高的動(dòng)態(tài)范圍。它由光敏二極管、負(fù)載管、源跟隨器和行選通管組成，負(fù)載管柵極是一恒定偏置電壓（不一定要是電源電壓），該像素單元輸出信號(hào)與入射光信號(hào)成對(duì)數(shù)關(guān)系，它的工作特點(diǎn)是光線(xiàn)被連續(xù)地轉(zhuǎn)化為信號(hào)電壓，而不像一般APS那樣存在復(fù)位和積分過(guò)程。但是，對(duì)數(shù)響應(yīng)型CMOS-APS的一個(gè)致命缺陷就是對(duì)器件參數(shù)相當(dāng)敏感，特別是閾值電壓。
PPS和APS都是在像素外進(jìn)行模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換的，而DPS將模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換集成在每一個(gè)像素單元里，每一個(gè)像素單元輸出的是數(shù)字信號(hào)，工作速度更快，功耗更低。
影響CMOS傳感器性能的主要問(wèn)題
噪聲
這是影響CMOS傳感器性能的首要問(wèn)題。這種噪聲包括固定圖形噪聲FPN（Fixed pattern noise）、暗電流噪聲、熱噪聲等。固定圖形噪聲產(chǎn)生的原因是一束同樣的光照射到兩個(gè)不同的象素上產(chǎn)生的輸出信號(hào)不完全相同。噪聲正是這樣被引入的。對(duì)付固定圖形噪聲可以應(yīng)用雙采樣或相關(guān)雙采樣技術(shù)。具體地說(shuō)來(lái)有點(diǎn)像在設(shè)計(jì)模擬放大器時(shí)引入差分對(duì)來(lái)抑制共模噪聲。雙采樣是先讀出光照產(chǎn)生的電荷積分信號(hào)，暫存然后對(duì)象素單元進(jìn)行復(fù)位，再讀取此象素單元地輸出信號(hào)。兩者相減得出圖像信號(hào)。兩種采樣均能有效抑制固定圖形噪聲。另外，相關(guān)雙采樣需要臨時(shí)存儲(chǔ)單元，隨著象素地增加，存儲(chǔ)單元也要增加。
暗電流
物理器件不可能是理想的，如同亞閾值效應(yīng)一樣，由于雜質(zhì)、受熱等其他原因的影響，即使沒(méi)有光照射到象素，象素單元也會(huì)產(chǎn)生電荷，這些電荷產(chǎn)生了暗電流。暗電流與光照產(chǎn)生的電荷很難進(jìn)行區(qū)分。暗電流在像素陣列各處也不完全相同，它會(huì)導(dǎo)致固定圖形噪聲。對(duì)于含有積分功能的像素單元來(lái)說(shuō)，暗電流所造成的固定圖形噪聲與積分時(shí)間成正比。暗電流的產(chǎn)生也是一個(gè)隨機(jī)過(guò)程，它是散彈噪聲的一個(gè)來(lái)源。因此，熱噪聲元件所產(chǎn)生的暗電流大小等于像素單元中的暗電流電子數(shù)的平方根。當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間的積分單元被采用時(shí)，這種類(lèi)型的噪聲就變成了影響圖像信號(hào)質(zhì)量的主要因素，對(duì)于昏暗物體，長(zhǎng)時(shí)間的積分是必要的，并且像素單元電容容量是有限的，于是暗電流電子的積累限制了積分的最長(zhǎng)時(shí)間。
為減少暗電流對(duì)圖像信號(hào)的影響，首先可以采取降溫手段。但是，僅對(duì)芯片降溫是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，由暗電流產(chǎn)生的固定圖形噪聲不能完全通過(guò)雙采樣克服?，F(xiàn)在采用的有效的方法是從已獲得的圖像信號(hào)中減去參考暗電流信號(hào)。
象素的飽和與溢出模糊
類(lèi)似于放大器由于線(xiàn)性區(qū)的范圍有限而存在一個(gè)輸入上限，對(duì)于CMOS圖像傳感芯片來(lái)說(shuō)，它也有一個(gè)輸入的上限。輸入光信號(hào)若超過(guò)此上限，像素單元將飽和而不能進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換。對(duì)于含有積分功能的像素單元來(lái)說(shuō)，此上限由光電子積分單元的容量大小決定：對(duì)于不含積分功能的像素單元，該上限由流過(guò)光電二極管或三極管的最大電流決定。在輸入光信號(hào)飽和時(shí)，溢出模糊就發(fā)生了。溢出模糊是由于像素單元的光電子飽和進(jìn)而流出到鄰近的像素單元上。溢出模糊反映到圖像上就是一片特別亮的區(qū)域。這有些類(lèi)似于照片上的曝光過(guò)度。溢出模糊可通過(guò)在像素單元內(nèi)加入自動(dòng)泄放管來(lái)克服，泄放管可以有效地將過(guò)剩電荷排出。但是，這只是限制了溢出，卻不能使象素能真實(shí)還原出圖像了。
CMOS圖像傳感器參數(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(jiàn)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(jiàn),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、動(dòng)態(tài)范圍
動(dòng)態(tài)范圍由CMOS圖像傳感器的信號(hào)處理能力和噪聲決定,反映了CMOS圖像傳感器的工作范圍。參照CCD的動(dòng)態(tài)范圍,其數(shù)值是輸出端的信號(hào)峰值電壓與均方根噪聲電壓之比,通常用DB表示。
4、靈敏度
圖像傳感器對(duì)入射光功率的響應(yīng)能力被稱(chēng)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。
5、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。
6、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。
7、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。
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cmos傳感器參數(shù)：超大尺寸CMOS傳感器
ISDI是高性能CMOS成像半導(dǎo)體領(lǐng)域的創(chuàng)新者，提供定制傳感器設(shè)計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品。
ISDI成立于2010年，由一個(gè)半導(dǎo)體設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)與通過(guò)科學(xué)和研究領(lǐng)域的項(xiàng)目獲得的CMOS圖像傳感器方面的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)。自成立以來(lái)，ISDI已經(jīng)從一個(gè)科學(xué)傳感器的設(shè)計(jì)者發(fā)展到一個(gè)廣泛應(yīng)用的晶片級(jí)成像設(shè)備的制造商。
所提供傳感器適合板到板或板通過(guò)電纜連接到數(shù)據(jù)采集PCB。數(shù)字接口設(shè)計(jì)用于直接連接到FPGA或ASIC。對(duì)于50μm和100μm傳感器，顯影板可通過(guò)USB或Gigevision直接與攝像機(jī)連接。
所有傳感器設(shè)計(jì)可用于X射線(xiàn)環(huán)境中的低噪聲操作，適用于光纖板（FOP）粘合或直接閃爍沉積。
一個(gè)多功能，功能豐富的硅片級(jí)圖像傳感器結(jié)合ISDI專(zhuān)利組成低噪聲像素架構(gòu)。并且，傳感器可以對(duì)接以形成更大的連續(xù)圖像區(qū)域。
關(guān)鍵特征：
?卷簾曝光
?高、低滿(mǎn)阱（HFW、LFW）可選，適合高、低靈敏度應(yīng)用
?片內(nèi)溫度傳感器
?動(dòng)態(tài)設(shè)置感興趣區(qū)域（ROI）
?非破壞性讀出選項(xiàng)
應(yīng)用圖例：
