在本文中，您將學(xué)習(xí)CMOS圖像傳感器的基礎(chǔ)知識(shí)，包括其核心組件，其框圖，優(yōu)缺點(diǎn)以及其應(yīng)用。
圖像傳感器是數(shù)字成像系統(tǒng)中的主要組成部分之一，并且強(qiáng)烈影響整個(gè)系統(tǒng)的性能。圖像傳感器的兩種主要類型是電荷耦合器件（CCD）和CMOS成像器。在本文中，我們將介紹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)和功能開始。
CMOS光電檢測(cè)器
大多數(shù)CMOS光電檢測(cè)器基于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二極管。該電流分量通常被稱為光電流。
由于光電流隨光強(qiáng)度線性增加，因此我們可以使用光電二極管來構(gòu)建光檢測(cè)器。這種光檢測(cè)結(jié)構(gòu)的抽象表示如下。
（a）光電探測(cè)器的示意圖（b）光電流值的變化與時(shí)間的關(guān)系。圖片由Abbas El Gamal提供。
重置開關(guān)在曝光周期開始時(shí)閉合，以將光電二極管反向偏置到VD電壓。接下來，開關(guān)斷開，并產(chǎn)生與入射光強(qiáng)度成比例的光電流。該電流在毫微微安至皮安安的范圍內(nèi)，并且太小而無法直接測(cè)量。如果我們讓光電二極管在設(shè)定的時(shí)間段內(nèi)（色調(diào)）曝光，則電流將在二極管電容CD上積分。所存儲(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，合并的平均過程使累積的信號(hào)更真實(shí)地表示所測(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CD可以容納的電荷量的上限。超過一定的光強(qiáng)度時(shí)，二極管將飽和，并且累積電荷將等于上圖所示的最大值。因此，必須仔細(xì)選擇整合期。
應(yīng)該考慮的另一個(gè)非理想效應(yīng)是，除了光電流之外，還有另一個(gè)電流分量稱為暗電流流過二極管。暗電流是在沒有光的情況下產(chǎn)生的電流。必須使該電流分量最小化，以使器件靈敏度最大化。
CMOS圖像傳感器的框圖
CMOS圖像傳感器的基本結(jié)構(gòu)如下所示。
圖片由Edmund Optics提供。
光電探測(cè)器的二維陣列用于感測(cè)入射光強(qiáng)度。光電探測(cè)器產(chǎn)生的電荷被轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，并通過“行選擇”和“列選擇”開關(guān)陣列傳遞到輸出放大器。ADC用于數(shù)字化放大后的信號(hào)。
為了執(zhí)行讀出，將給定行的像素值并行地傳送到一組存儲(chǔ)電容器（未在上面示出），然后，順序地讀出這些傳送的像素值。
上圖顯示了APS（有源像素傳感器）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，而且包含放大器。一種稱為PPS（無源像素傳感器）的更簡(jiǎn)單的體系結(jié)構(gòu)沒有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體系結(jié)構(gòu)中的像素輸出與光強(qiáng)度成比例的數(shù)字值。
DPS或示意圖像素傳感器的示意圖。圖片由Abbas El Gamal提供。
CMOS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)的CMOS技術(shù)制造。這是一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)樗刮覀兡軌驅(qū)鞲衅髋c成像系統(tǒng)所需的其他模擬和數(shù)字電路集成在一起。集成解決方案使我們能夠降低功耗并提高讀出速度。對(duì)于其他基于電荷轉(zhuǎn)移和成像優(yōu)化的專用制造技術(shù)的圖像傳感器技術(shù)（例如電荷耦合器件（CCD））則不是這種情況。
CMOS圖像傳感器的一個(gè)缺點(diǎn)是，讀出路徑中有多個(gè)有源設(shè)備會(huì)產(chǎn)生隨時(shí)間變化的噪聲。此外，制造上的不一致會(huì)導(dǎo)致不同像素的電荷-電壓放大器之間的失配。這將導(dǎo)致固定模式的噪聲，即使將不同的像素暴露在均勻的照明下，它們也會(huì)產(chǎn)生不同的值。
卷簾式文物
對(duì)于許多CMOS圖像傳感器，不同像素行的曝光周期在稍微不同的時(shí)間開始。通常，從上到下依次重置行。給定行的積分時(shí)間過去后，應(yīng)開始讀取。因此，光積分與復(fù)位過程一樣，從上到下依次發(fā)生。捕獲快速移動(dòng)的物體時(shí)，這可能會(huì)導(dǎo)致一種稱為滾動(dòng)快門偽影的失真。這是由于以下事實(shí)：在捕獲所有像素時(shí)，具有快速移動(dòng)物體的場(chǎng)景可能會(huì)發(fā)生變化。卷簾式偽影在拍攝的場(chǎng)景中表現(xiàn)為某些非剛性或彎曲。下圖對(duì)此進(jìn)行了說明。
圖片由安森美半導(dǎo)體提供。
現(xiàn)代高端CMOS傳感器具有更快的讀出速度，可以更輕松地避免這種不理想的影響。此外，還有帶有全局快門的CMOS圖像傳感器，其中所有像素的重置和曝光周期都同時(shí)發(fā)生。在積分時(shí)間結(jié)束時(shí)，將不同像素的累積電荷同時(shí)傳輸?shù)酱鎯?chǔ)區(qū)域以進(jìn)行進(jìn)一步處理。由于所有像素的曝光周期都同時(shí)發(fā)生，因此不會(huì)產(chǎn)生滾動(dòng)快門效果。
結(jié)論
反向偏置的光電二極管產(chǎn)生的電流分量與入射光強(qiáng)度成正比。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能具有不同的復(fù)雜度。例如，CMOS圖像傳感器的像素不僅可以包含光電二極管，而且可以包含放大器。DPS（數(shù)字像素傳感器）設(shè)備使用更復(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圖像傳感器的最重要優(yōu)點(diǎn)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。可能會(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讀出路徑中有源器件產(chǎn)生的噪聲。
