CMOS图像传感器原理及应用
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• 1、ISO感光度差异：
• 2、成本差异
• 3、分辨率差异
• 4、噪声差异
• 5、耗电量差异
• 6、随机读取
• 差异总结及前景展望：
• 由于构造上的基本差异，我们可以表列出两者在性能上的表现之不 同。CCD图像传感器的特色在于充分保持信号在传输时不失真（专属 通道设计），透过每一个像素集合至单一放大器上再做统一处理，可 以保持数据的完整性；CMOS图像传感器的制程比较简单，没有专属 通道的设计，因此必须先行放大再整合各个画素的数据。新一代的 CCD朝向耗电量减少作为改进目标，以期进入手机摄像头的移动通讯 市场；CMOS系列，则开始朝向大尺寸面积与高速图像处理芯片整合， 借由后续的图像处理修正噪声以及画质表现，CMOS未来跨足高阶的 影像市场产品，前景可期。
• 由于数字编码式太阳敏感器的 几何分辨率主要由传感器像素 尺寸决定，而CMOS的像素尺 寸可以做到远小于 CCD，使得 基于的太阳敏感器分辨率能得 到提高。
• 无源像素传感器
在无源像素传感器的像素单元中包括一个光二 极管(PhotoDiode)和一个MOS管，MOS管作为 行选(RowSeleet)开关.
• 有源像素传感器
这种有源像素传感器的像素单元通常称为3-T(3-Trnasistor) 结构，在像素单元中，除一个光二极管外，还包括一个重 置(Reset)MOS管、一个源极跟随器(Source Follower) MOS管和一个行选MOS管。
对地观察卫星的主要遥感成像技术:
在目前，对于重量小于10kg的纳型卫星来说，光 成像技术（以可见光为主）将是纳型卫星完成对 地观察任务的主要手段。而在可见光统中，其电 子光学系统中广泛使用固体成像器件（如CCD ） 进行遥感成像。CMOS成像器件由于其本身优点， 在微纳卫星上具有广泛应用前景。 一种典型的模块化遥感微纳卫星如图，其中采 用了大量新技术，如CMOS相机、星传感器，基 于MEMS的微型陀螺、微加速度计，使用了 250MIPS的微处理器与8GB的动态存储器等。
噪声特性
• 由于数码相机本身采用大量的 电子器材，所拍摄的影像质量 很容易受到电子原件的电磁溢 波干扰，CMOS图像传感器上 残存的能量以及运作环境温度 升高（机体运作时间过久）所 产生的自然噪声。这些噪声会 被纪录在你所拍摄的影像画面 中，你可以透过单一色调的拍 摄（黑色）做为观察Noise的指 标。
• 一般来说，具有较宽动态范围 的传感器可以探测更宽的场景 照度范围，从而可以得到具有 更多细节的图像。
CMOS图像传感器与CCD图像传感器的比较
• 感光组件的区别： • 放大器位置和数量:比较CCD图
像传感器和CMOS图像传感器 的结构，放大器的位置和数量 是最大的不同之处 。
• 性能差异：
• 由于构造上的基本差异，我们可以表列出两者在性能上的表现的不同点。
CMOS图像传感器件的应用
数码相机：
CMOS在数码相机中的应用: 彩色 CMOS 摄像头在电子快门 的控制下 ,摄取一幅照片存在 DRAM 中 , 然后再转至快ROM 中存放起来。 CMOS 还可以完成其他许多功 能 , 如模数转换、负载信号处 理、处理白平衡及进行相机控 制等。目前几乎所有的初级数 码相机都是基于 CMOS 图 像传感器的。
卷帘式快门
全局式快门优点在于拍摄运 动物体不会失真。
卷帘式快门的优点在于没有 采样保持单元，结构简单噪 音低。
全局式快门
卷帘式快门
• 读取方式： • 根据快门方式有所不同，
CMOS图像传感器的像素信号 读取有两种方式，即扫描读取 方式和随机读取方式，如图所 示。
扫描读取
随机读取
ຫໍສະໝຸດ Baidu 动态范围
• 图像传感器的动态范围通常可 定义为：传感器最大的非饱和 信号与暗条件下噪声均方差之 比。
CMOS图像传感器的基本工作流程
1.发生光电效应。 2.行选择逻辑单元选通相应的行 像素单元。 3.信号通过各自所在列的信号总 线传输到对应的模拟信号处理单 元以及A/D转换器。
CMOS图像传感器的关键参数
衡量CMOS图像传感器性能的参数有很多,下面对这些 参数做简单的介绍: • 感光度 • 分辨率 • 暗电流 • 噪声特性 • 动态范围 • 快门方式
CMOS图像传感器的原理与 应用
主要内容：
• CMOS图像传感器的组成 • CMOS图像传感器的像素阵列 • CMOS图像传感器的基本工作流程 • CMOS图像传感器的关键参数 • CMOS图像传感器与CCD图像传感器的比较 • CMOS图像传感器件的应用
CMOS图像传感器的组成
• 组成： • CMOS图像传感器的原
• CCD图像传感器的特色在于充分保持信号在传输时不失真（专属通道设计），透 过每一个像素集合至单一放大器上再做统一处理，可以保持数据的完整性。
• CMOS图像传感器的制程比较简单，没有专属通道的设计，因此必须先行放大再 整合各个像素的数据。
• 整体来说，CCD图像传感器与CMOS图像传感器两种设计的应用，反应在成像效 果上，形成包括ISO感光度、制造成本、分辨率、噪声与耗电量等，不同类型的差 异：
理如图所示，通常由像 敏单元阵列、行驱动器、 列时序控制逻辑、A/D 转换器、数据总线输出 接口、控制接口等几部 分组成，这几部分通常 都被集成在同一块硅片 上。
CMOS图像传感器的像素阵列
• CMOS图像传感器的像素阵列由大量相同的像素单元组成， 这些相同的像素单元是传感器的关键部分。
• 随着CMOS图像传感器的发展，可以细分为很多类，这里 我们依照像素不同类型来分，就可分为两大类：一类是无 源像素传感器（CMOS-PPS），另一类是有源像素传感器 （CMOS-APS）。
ISO感光度
• ISO值是用来表示传统相机所 使用底片的感光度。当ISO数值 愈大时，感光度就愈大。
分辨率
• 先来说一下像素： 像素，即是影像最基本的单位。也就是说将影像放大到不能 • 再将它分割的影像单位。 而分辨率，是在一个特定的区域内共有多少个像素单位， • 该词最早是用来说明工程中单位长度所撷取到『点』的数目，对应在单位上就成了 • dpi (dot per inch)。常见单位有： • EPI:每一平方英寸共有多少单位数(element per inch)。 • DPI:每一平方英寸共有多少点数(dot per inch)。 • PPI:每一平方英寸共有多少像素数(pixel per inch)。 • LPI:每一平方英寸共有多少条线(line per inch)。 • 胶片式照相机一般使用35毫米的胶卷。解像度在数百万到一千万点。但是，胶 • 片经镜头所拍下的成像。有时还比不上100万像素档次的数码相机。100万像素档次 • 的数码相机，拍摄1024x768点阵的画像，经高解像度的打印机打印，解像度为每毫 • 米3到4点（解像度可用点数来表示）。另一方面，胶片经镜头所拍下的成像每毫米 • 3-14点。受我们用肉眼所能鉴别的限制，这种程度的解像度没有太大的区别。
暗电流
• 所谓暗电流，就是在没有入射光时光电二极管所释放的电流量， 一个被隔离的反向偏置的光电二极管即使在没有任何光照的条件 下，也会产生放电现象。
快门模式
• 快门对于CMOS图像传感器而 言是很重要的，通过电子快门 的方式可以控制CMOS图像传 感器的积分时间。对于CMOS 图像传感器而言，通常有两种 快门的机制：卷帘式快门 （Rolling Shutter）和全局式 快门（Global Shutter）。
• Surrey大学的SNAP-1 纳型卫 星与“清华 1号”微小卫星同 时发射。SNAP-1纳型卫星上装 有 3个广角（ 90度视角）的相 机，以及一个小视角相机。图 是这些相机在星箭分离时拍摄 的照片。
• 太阳敏感器：
• 卫星的微小化要求其组成模块 的微型化，要求对现有卫星组 成模块进行重新设计，大幅度 减小其重量、体积和功耗，使 其满足新的要求。
• 2、成本差异
• 3、分辨率差异
• 4、噪声差异
• 5、耗电量差异
• 6、随机读取
• 差异总结及前景展望：
• 由于构造上的基本差异，我们可以表列出两者在性能上的表现之不 同。CCD图像传感器的特色在于充分保持信号在传输时不失真（专属 通道设计），透过每一个像素集合至单一放大器上再做统一处理，可 以保持数据的完整性；CMOS图像传感器的制程比较简单，没有专属 通道的设计，因此必须先行放大再整合各个画素的数据。新一代的 CCD朝向耗电量减少作为改进目标，以期进入手机摄像头的移动通讯 市场；CMOS系列，则开始朝向大尺寸面积与高速图像处理芯片整合， 借由后续的图像处理修正噪声以及画质表现，CMOS未来跨足高阶的 影像市场产品，前景可期。
• 由于数字编码式太阳敏感器的 几何分辨率主要由传感器像素 尺寸决定，而CMOS的像素尺 寸可以做到远小于 CCD，使得 基于的太阳敏感器分辨率能得 到提高。
• 无源像素传感器
在无源像素传感器的像素单元中包括一个光二 极管(PhotoDiode)和一个MOS管，MOS管作为 行选(RowSeleet)开关.
• 有源像素传感器
这种有源像素传感器的像素单元通常称为3-T(3-Trnasistor) 结构，在像素单元中，除一个光二极管外，还包括一个重 置(Reset)MOS管、一个源极跟随器(Source Follower) MOS管和一个行选MOS管。
对地观察卫星的主要遥感成像技术:
在目前，对于重量小于10kg的纳型卫星来说，光 成像技术（以可见光为主）将是纳型卫星完成对 地观察任务的主要手段。而在可见光统中，其电 子光学系统中广泛使用固体成像器件（如CCD ） 进行遥感成像。CMOS成像器件由于其本身优点， 在微纳卫星上具有广泛应用前景。 一种典型的模块化遥感微纳卫星如图，其中采 用了大量新技术，如CMOS相机、星传感器，基 于MEMS的微型陀螺、微加速度计，使用了 250MIPS的微处理器与8GB的动态存储器等。
噪声特性
• 由于数码相机本身采用大量的 电子器材，所拍摄的影像质量 很容易受到电子原件的电磁溢 波干扰，CMOS图像传感器上 残存的能量以及运作环境温度 升高（机体运作时间过久）所 产生的自然噪声。这些噪声会 被纪录在你所拍摄的影像画面 中，你可以透过单一色调的拍 摄（黑色）做为观察Noise的指 标。
• 一般来说，具有较宽动态范围 的传感器可以探测更宽的场景 照度范围，从而可以得到具有 更多细节的图像。
CMOS图像传感器与CCD图像传感器的比较
• 感光组件的区别： • 放大器位置和数量:比较CCD图
像传感器和CMOS图像传感器 的结构，放大器的位置和数量 是最大的不同之处 。
• 性能差异：
• 由于构造上的基本差异，我们可以表列出两者在性能上的表现的不同点。
CMOS图像传感器件的应用
数码相机：
CMOS在数码相机中的应用: 彩色 CMOS 摄像头在电子快门 的控制下 ,摄取一幅照片存在 DRAM 中 , 然后再转至快ROM 中存放起来。 CMOS 还可以完成其他许多功 能 , 如模数转换、负载信号处 理、处理白平衡及进行相机控 制等。目前几乎所有的初级数 码相机都是基于 CMOS 图 像传感器的。
卷帘式快门
全局式快门优点在于拍摄运 动物体不会失真。
卷帘式快门的优点在于没有 采样保持单元，结构简单噪 音低。
全局式快门
卷帘式快门
• 读取方式： • 根据快门方式有所不同，
CMOS图像传感器的像素信号 读取有两种方式，即扫描读取 方式和随机读取方式，如图所 示。
扫描读取
随机读取
ຫໍສະໝຸດ Baidu 动态范围
• 图像传感器的动态范围通常可 定义为：传感器最大的非饱和 信号与暗条件下噪声均方差之 比。
CMOS图像传感器的基本工作流程
1.发生光电效应。 2.行选择逻辑单元选通相应的行 像素单元。 3.信号通过各自所在列的信号总 线传输到对应的模拟信号处理单 元以及A/D转换器。
CMOS图像传感器的关键参数
衡量CMOS图像传感器性能的参数有很多,下面对这些 参数做简单的介绍: • 感光度 • 分辨率 • 暗电流 • 噪声特性 • 动态范围 • 快门方式
CMOS图像传感器的原理与 应用
主要内容：
• CMOS图像传感器的组成 • CMOS图像传感器的像素阵列 • CMOS图像传感器的基本工作流程 • CMOS图像传感器的关键参数 • CMOS图像传感器与CCD图像传感器的比较 • CMOS图像传感器件的应用
CMOS图像传感器的组成
• 组成： • CMOS图像传感器的原
• CCD图像传感器的特色在于充分保持信号在传输时不失真（专属通道设计），透 过每一个像素集合至单一放大器上再做统一处理，可以保持数据的完整性。
• CMOS图像传感器的制程比较简单，没有专属通道的设计，因此必须先行放大再 整合各个像素的数据。
• 整体来说，CCD图像传感器与CMOS图像传感器两种设计的应用，反应在成像效 果上，形成包括ISO感光度、制造成本、分辨率、噪声与耗电量等，不同类型的差 异：
理如图所示，通常由像 敏单元阵列、行驱动器、 列时序控制逻辑、A/D 转换器、数据总线输出 接口、控制接口等几部 分组成，这几部分通常 都被集成在同一块硅片 上。
CMOS图像传感器的像素阵列
• CMOS图像传感器的像素阵列由大量相同的像素单元组成， 这些相同的像素单元是传感器的关键部分。
• 随着CMOS图像传感器的发展，可以细分为很多类，这里 我们依照像素不同类型来分，就可分为两大类：一类是无 源像素传感器（CMOS-PPS），另一类是有源像素传感器 （CMOS-APS）。
ISO感光度
• ISO值是用来表示传统相机所 使用底片的感光度。当ISO数值 愈大时，感光度就愈大。
分辨率
• 先来说一下像素： 像素，即是影像最基本的单位。也就是说将影像放大到不能 • 再将它分割的影像单位。 而分辨率，是在一个特定的区域内共有多少个像素单位， • 该词最早是用来说明工程中单位长度所撷取到『点』的数目，对应在单位上就成了 • dpi (dot per inch)。常见单位有： • EPI:每一平方英寸共有多少单位数(element per inch)。 • DPI:每一平方英寸共有多少点数(dot per inch)。 • PPI:每一平方英寸共有多少像素数(pixel per inch)。 • LPI:每一平方英寸共有多少条线(line per inch)。 • 胶片式照相机一般使用35毫米的胶卷。解像度在数百万到一千万点。但是，胶 • 片经镜头所拍下的成像。有时还比不上100万像素档次的数码相机。100万像素档次 • 的数码相机，拍摄1024x768点阵的画像，经高解像度的打印机打印，解像度为每毫 • 米3到4点（解像度可用点数来表示）。另一方面，胶片经镜头所拍下的成像每毫米 • 3-14点。受我们用肉眼所能鉴别的限制，这种程度的解像度没有太大的区别。
暗电流
• 所谓暗电流，就是在没有入射光时光电二极管所释放的电流量， 一个被隔离的反向偏置的光电二极管即使在没有任何光照的条件 下，也会产生放电现象。
快门模式
• 快门对于CMOS图像传感器而 言是很重要的，通过电子快门 的方式可以控制CMOS图像传 感器的积分时间。对于CMOS 图像传感器而言，通常有两种 快门的机制：卷帘式快门 （Rolling Shutter）和全局式 快门（Global Shutter）。
• Surrey大学的SNAP-1 纳型卫 星与“清华 1号”微小卫星同 时发射。SNAP-1纳型卫星上装 有 3个广角（ 90度视角）的相 机，以及一个小视角相机。图 是这些相机在星箭分离时拍摄 的照片。
• 太阳敏感器：
• 卫星的微小化要求其组成模块 的微型化，要求对现有卫星组 成模块进行重新设计，大幅度 减小其重量、体积和功耗，使 其满足新的要求。