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圖像傳感器工作原理：CCD圖像傳感器的工作原理是什么？詳細介紹

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西西姐辛苦                                            2021-04-26 10:12:00

CCD圖像傳感器的詳細資料介紹

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2019-12-11 14:29:00

CCD圖像傳感器的詳細資料講解

轉換、信息存貯和傳輸等功能，具有集成度高、功耗小、結構簡單、壽命長、性能穩定等優點，故在固體圖像傳感器、信息存貯和處理等方面得到了廣泛的應用。CCD圖像傳感器能實現信息的獲取、轉換和視覺功能的擴展，能給出直觀、真實、多層次的內容豐富的可視圖像信息，被廣

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li_dawn                                            2018-11-07 08:00:00

溫度傳感器工作原理是什么？溫度傳感器實驗的詳細資料合集免費下載

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jackly5                                            2018-08-30 08:00:00

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圖像傳感器工作原理：CMOS圖像傳感器的結構及工作原理

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　　CMOS圖像傳感器的像素結構目前主要有無源像素圖像傳感器（Passive Pixel Sensor，PPS）和有源像素圖像傳感器（Active Pixel Sensor，APS）兩種，如圖1所示。由于PPS信噪比低、成像質量差，所以目前絕大多數CMOS圖像傳感器采用的是APS結構。APS結構的像素內部包含一個有源器件。由于該放大器在像素內部具有放大和緩沖功能，具有良好的消噪功能，且電荷不需要像CCD器件那樣經過遠距離移位到達輸出放大器，因此避免了所有與電荷轉移有關的CCD器件的缺陷。
　　圖1 CMOS的兩種像素結構
　　由于每個放大器僅在讀出期間被激發，所以將經光電轉換后的信號在像素內放大，然后用X－Y地址方式讀出，提高了固體圖像傳感器的靈敏度。APS像素單元有放大器，它不受電荷轉移效率的限制，速度快，圖像質量較PPS得到了明顯地改善。但是與PPS相比，APS的像素尺寸較大、填充系數小，所設計的填充系數典型值為0.2～0.3。
　　一個典型的CMOS圖像傳感器的總體結構如圖2所示。在同一芯片上集成有模擬信號處理電路、I(2)C控制接口、曝光／白平衡控制、視頻時序產生電路、數字轉換電路、行選擇、列選擇及放大和光敏單元陣列。芯片上的模擬信號處理電路主要執行相關雙采樣（CorrelatedDouble Sampling，CDS）功能。芯片上的A／D轉換器可以分為像素級、列級和芯片級幾種情況，即每一個像素有一個A／D轉換器，每一個列像素有一個A／D轉換器，或者每一個感光陣列有一個A／D轉換器。由于受芯片尺寸的限制，所以像素級的A／D轉換器不易實現。CMOS片內部提供了一系列控制寄存器，通過總線編程（如Pc總線）來對自增益、自動曝光、白色平衡、／校正等功能進行控制，編程簡單、控制靈活。直接輸出的數字圖像信號可以很方便地與后續處理電路接口，供數字信號處理器對其進行處理。
　　圖2 CMOS芯片組成方框圖

來源:ks99
技術資料出處:ju
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圖像傳感器工作原理：三步讀懂CMOS圖像傳感器的工作原理

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圖像傳感器是將光信號轉換為電信號的裝置，在數字電視、可視通信市場中有著廣泛的應用。目前應用廣泛的主要是CCD(Charge-Coupled Device，電荷耦合器件)與CMOS(Complementary metal Oxide Semiconductor，互補金屬氧化物場效應管)這兩種。
其中，CMOS是目前最引人注目，且被認為是最有發展潛力的。
CMOS圖像傳感器是一種典型的固體成像傳感器，通常由像敏單元陣列、行驅動器、列驅動器、時序控制邏輯、AD轉換器、數據總線輸出接口、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。其工作過程一般可分為復位、光電轉換、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字信號處理電路，如AD轉換器、自動曝光量控制、非均勻補償、白平衡處理、黑電平控制、伽瑪校正等，為了進行快速計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，從而組成單片數字相機及圖像處理系統。
更確切地說，CMOS圖像傳感器應當是一個圖像系統。事實上，當一位設計者購買了CMOS圖像傳感器后，他得到的是一個包括圖像陣列邏輯寄存器、存儲器、定時脈沖發生器和轉換器在內的全部系統。
CMOS圖像傳感器的工作原理詳解：
1、MOS管的像元結構
在了解CMOS圖像傳感器之前，我們需要先知道最底層的結構——MOS管的像元結構。
MOS三極管和光敏二極管組成的相當于一個像元的結構剖面，在光積分期間，MOS三極管截止，光敏二極管隨入射光的強弱產生對應的載流子并存儲在源極的P．N結部位上（如下圖中的①位置）。
當積分期結束時，掃描脈沖加在MOS三極管的柵極上，使其導通，光敏二極管復位到參考電位，并引起視頻電流在負載上流過，其大小與入射光強對應。
MOS三極管源極P．N結起光電變換和載流子存儲作用，當柵極加有脈沖信號時，視頻信號被讀出。
2、CMOS圖像傳感器陣列結構
多個MOS管的像元結構組成CMOS像敏元陣列結構，這里是CMOS圖像傳感器感測光的開始。CMOS像敏元陣列結構由水平移位寄存器、垂直移位寄存器和CMOS像敏元陣列組成。
CMOS像敏元陣列結構
（1一垂直移位寄存器：2一水平移位寄存器；3一水平掃描開關；4一垂直掃描開關；5一像敏元陣列；6一信號線；7一像敏元）
如前所述，各MOS晶體管在水平和垂直掃描電路的脈沖驅動下起開關作用。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。
每個像元由光敏二極管和起垂直開關作用的MOS晶體管組成，在水平移位寄存器產生的脈沖作用下順次接通水平開關，在垂直移位寄存器產生的脈沖作用下接通垂直開關，于是順次給像元的光敏二極管加上參考電壓(偏壓)。
被光照的二極管產生載流子使結電容放電，這就是積分期間信號的積累過程。而上述接通偏壓的過程同時也是信號讀出過程。在負載上形成的視頻信號大小正比于該像元上的光照強弱。
3、三步讀懂CMOS圖像傳感器的工作流程
根據CMOS圖像傳感器的功能框圖，我們可發現CMOS圖像傳感器的工作流程主要分為以下三步。
CMOS圖像傳感器的功能框圖
第一步：外界光照射像素陣列，發生光電效應，在像素單元內產生相應的電荷。
景物通過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二維的像素陣列，每一個像素上都包括一個光敏二極管，每個像素中的光敏二極管將其陣列表面的光強轉換為電信號。
第二步：通過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讀取出來。
在選通過程中，行選擇邏輯單元可以對像素陣列逐行掃描也可隔行掃描，列同理。行選擇邏輯單元與列選擇邏輯單元配合使用可以實現圖像的窗口提取功能。
第三步：把相應的像素單元進行信號處理后輸出。
行像素單元內的圖像信號通過各自所在列的信號總線，傳輸到對應的模擬信號處理單元以及A/D轉換器，轉換成數字圖像信號輸出。其中，模擬信號處理單元的主要功能是對信號進行放大處理，并且提高信噪比。
像素電信號放大后送相關雙采樣CDS電路處理，相關雙采樣是高質量器件用來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，一路為實時信號，另外一路為參考信號，通過兩路信號的差分去掉相同或相關的干擾信號。
這種方法可以減少KTC噪聲、復位噪聲和固定模式噪聲FPN(Fixed Pattern Noise)，同時也可以降低1／f噪聲，提高了信噪比。此外，它還可以完成信號積分、放大、采樣、保持等功能。
然后信號輸出到模擬／數字轉換器上變換成數字信號輸出。
另外，為了獲得質量合格的實用攝像頭，芯片中必須包含各種控制電路，如曝光時間控制、自動增益控制等。為了使芯片中各部分電路按規定的節拍動作，必須使用多個時序控制信號。為了便于攝像頭的應用，還要求該芯片能輸出一些時序信號，如同步信號、行起始信號、場起始信號等。

圖像傳感器工作原理：圖像傳感器工作原理

CMOS/CCD圖像傳感器工作原理 收藏
無論是CCD還是CMOS，它們都采用感光元件作為影像捕獲的基本手段，CCD/CMOS感光元件的核心都是一個感光二極管（photodiode），該二極管在接受光線照射之后能夠產生輸出電流，而電流的強度則與光照的強度對應。但在周邊組成上，CCD的感光元件與CMOS的感光元件并不相同，前者的感光元件除了感光二極管之外，包括一個用于控制相鄰電荷的存儲單元，感光二極管占據了絕大多數面積—換一種說法就是，CCD感光元件中的有效感光面積較大，在同等條件下可接收到較強的光信號，對應的輸出電信號也更明晰。而CMOS感光元件的構成就比較復雜，除處于核心地位的感光二極管之外，它還包括放大器與模數轉換電路，每個像點的構成為一個感光二極管和三顆晶體管，而感光二極管占據的面積只是整個元件的一小部分，造成CMOS傳感器的開口率遠低于CCD （開口率：有效感光區域與整個感光元件的面積比值）；這樣在接受同等光照及元件大小相同的情況下，CMOS感光元件所能捕捉到的光信號就明顯小于CCD元件，靈敏度較低；體現在輸出結果上，就是CMOS傳感器捕捉到的圖像內容不如CCD傳感器來得豐富，圖像細節丟失情況嚴重且噪聲明顯，這也是早期CMOS 傳感器只能用于低端場合的一大原因。
CMOS開口率低造成的另一個麻煩在于，它的像素點密度無法做到媲美CCD的地步，因為隨著密度的提高，感光元件的比重面積將因此縮小，而CMOS開口率太低，有效感光區域小得可憐，圖像細節丟失情況會愈為嚴重。因此在傳感器尺寸相同的前提下，CCD的像素規模總是高于同時期的CMOS傳感器，這也是CMOS長期以來都未能進入主流數碼相機市場的重要原因之一。
每個感光元件對應圖像傳感器中的一個像點，由于感光元件只能感應光的強度，無法捕獲色彩信息，因此必須在感光元件上方覆蓋彩色濾光片。在這方面，不同的傳感器廠商有不同的解決方案，最常用的做法是覆蓋RGB紅綠藍三色濾光片，以1：2：1的構成由四個像點構成一個彩色像素（即紅藍濾光片分別覆蓋一個像點，剩下的兩個像點都覆蓋綠色濾光片），采取這種比例的原因是人眼對綠色較為敏感。而索尼的四色CCD技術則將其中的一個綠色濾光片換為翡翠綠色（英文 Emerald，有些媒體稱為E通道），由此組成新的R、G、B、E四色方案。不管是哪一種技術方案，都要四個像點才能夠構成一個彩色像素，這一點大家務必要預先明確。
在接受光照之后，感光元件產生對應的電流，電流大小與光強對應，因此感光元件直接輸出的電信號是模擬的。在CCD傳感器中，