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在本文中，您將了解 CMOS 圖像傳感器的基礎(chǔ)知識(shí)，包括其核心組件、框圖、優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)以及應(yīng)用。

圖像傳感器是數(shù)字成像系統(tǒng)的主要組成部分之一，對(duì)整體系統(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)。

查看我們的電荷耦合器件 (CCD) 圖像傳感器系列。您可以從CCD 的結(jié)構(gòu)和功能開(kāi)始。

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時(shí)（并且反向電壓小于雪崩擊穿電壓），與入射光強(qiáng)度成比例的電流分量將流過(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。

(a) 示例光電探測(cè)器的示意圖 (b) 光電流值隨時(shí)間的變化。圖片由Abbas El Gamal提供。

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)度成比例的光電流。該電流在毫微微安培到微微安培范圍內(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設(shè)定的時(shí)間，著色，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，所包含的平均過(guò)程使累積的信號(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，井容量 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)，二極管就會(huì)飽和，累積的電荷會(huì)等于一個(gè)較大值，如上圖所示。因此，需要謹(jǐn)慎選擇積分周期。 

另一個(gè)應(yīng)該考慮的非理想效應(yīng)是，除了光電流之外，還有另一個(gè)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。需要較小化該電流分量以強(qiáng)化設(shè)備靈敏度。

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。

圖片由愛(ài)特蒙特光學(xué)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(guò)“行選擇”和“列選擇”開(kāi)關(guān)陣列傳遞到輸出放大器。ADC 用于數(shù)字化放大的信號(hào)。

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。

上圖顯示了一個(gè) APS（主動(dòng)像素傳感器）架構(gòu)。在 APS 器件中，每個(gè)像素位置不僅包含光電二極管，還包含放大器。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)換器和內(nèi)存塊。因此，DPS 架構(gòu)中的像素輸出與光強(qiáng)度成比例的數(shù)字值。

DPS 或圖表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) CMOS 技術(shù)制造。這是一個(gè)主要優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗�允許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出速度。其他圖像傳感器技術(shù)并非如此，例如電荷耦合器件 (CCD)，它們基于針對(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)是讀出路徑中有幾個(gè)有源器件會(huì)產(chǎn)生隨時(shí)間變化的噪聲。此外，制造不一致會(huì)導(dǎo)致不同像素的電荷-電壓放大器之間的不匹配。這會(huì)導(dǎo)致固定模式噪聲，即使它們暴露在均勻照明下，不同的像素也會(huì)產(chǎn)生不同的值。

對(duì)于許多 CMOS 圖像傳感器，不同像素行的曝光周期開(kāi)始時(shí)間略有不同。通常，行從上到下依次重置。在給定行的積分時(shí)間過(guò)去后，它的讀數(shù)應(yīng)該開(kāi)始。因此，光積分從上到下依次發(fā)生，就像復(fù)位過(guò)程一樣。在捕捉快速移動(dòng)的物體時(shí)，這可能會(huì)導(dǎo)致一種稱為卷簾快門偽影的失真。這是因?yàn)樵诓蹲降剿�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。滾動(dòng)快門偽影表現(xiàn)為捕捉場(chǎng)景中的一些非剛性或彎曲。如下圖所示。

圖片由安森美半導(dǎo)體提供。

現(xiàn)代 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，還有帶全局快門的 CMOS 圖像傳感器，所有像素的復(fù)位和曝光周期同時(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)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是同時(shí)發(fā)生的，所以不會(huì)出現(xiàn)卷簾快門效應(yīng)。 

結(jié)論

反向偏置光電二極管產(chǎn)生與入射光強(qiáng)度成比例的電流分量。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能具有不同級(jí)別的復(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)換器和內(nèi)存塊。

CMOS 圖像傳感器的優(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來(lái)自讀出路徑中的有源器件的噪聲。