固态成像器件原理及应用第六讲-CMOS图像传感器原理及性能
第6章 CCD和COMS成像器件
Cox
A
d ox
* N A 2 1014 cm3 , dox 180nm, N f U GCox / e,U G 5V
U G ,Vs ; U G ,Vs ;
N A ,Vs ; N A ,Vs ;
d ox ,Vs ; d ox ,Vs ;
n ,Vs . n ,Vs .
6.1 电荷耦合器件的基本原理
6.1.1 MOS结构特征 MOS电容即金属（Metal）-氧化物(Oxidation)-半 导体(Seminconductor)构成的电容器，常称为MOS电 容，或MOS结构。
UG
Al SiO2 金属 电介质 P-Si衬底 金属
（a）MOS电容器；（b）一般电容器。 电容的相同特征 注意其区别: 电荷分布不一样.
i i f f v v mf
UG
Al
E SiO2c Ei Ec
Ei Vf Ef Ev
P-Si衬底
Vs
Emf
Ef Ev
d (c)
Emf
(d)
5.强反型层
Ei
f
Ei
f
E E 当电子充满势阱时，达到稳定状态，界面电子浓度等于衬 E E 底受主密度，该时就达到强反型层。在强反型层时， Vs E VS=2VF=2（Ei-EF），如果外界不注入少子（电子）或不 d 引入各种激发，则反型层中的电子的来源只能是耗尽层中热 (b) (a) 激发产生的电子，即热生载流子，这种热激发是很慢的，为 一弛豫过程,约为10-3~10-1s量级。
1．dox=0.1μm, 2．dox=0.6μm, 3．dox=0.1μm, 4．dox=0.1μm,
dN=2μm, dN=2μm, dN=2μm, dN=5μm,
CMOS图像传感器原理及应用
随着消费者对高清晰度图像的需求增加，CMOS图像传感器的像素尺寸不断增大，同时分辨率也在逐 步提高。
详细描述
为了满足市场对高清晰度图像的需求，CMOS图像传感器厂商不断推出具有更大像素尺寸和更高分辨 率的产品。这使得图像传感器能够捕捉到更多的细节，提供更丰富的色彩和更准确的图像还原。
高速和高动态范围性能的追求
帧率
帧率是指传感器能够以每秒拍摄的图 像帧数。帧率越高，传感器能够捕捉 到的动态场景就越流畅。
04 CMOS图像传感器的应用 领域
消费电子产品
数码相机
CMOS图像传感器广泛应 用于数码相机中，提供高 清晰度的照片和视频。
智能手机
智能手机中的后置和前置 摄像头都采用了CMOS传 感器，以实现高质量的拍 照和视频通话。
平板电脑
平板电脑中的摄像头也使 用了CMOS传感器，为用 户提供便捷的拍摄功能。
工业和医疗领域
工业检测
CMOS传感器在工业领域中用于生产线上的检测和质量控制，提高生产效率和产 品质量。
医疗影像
CMOS传感器可以用于医疗设备中，如内窥镜和显微镜，提供高清晰度的图像， 有助于医生进行诊断和治疗。
安全监控和无人驾驶
需要进一步研究和解决的问题
噪声抑制
动态范围与分辨率
CMOS图像传感器易受到噪声干扰，如何 有效抑制噪声、提高图像质量是亟待解决 的问题。
进一步提高CMOS图像传感器的动态范围 和分辨率，以满足更高要求的图像采集需 求。
集成与小型化
低功耗设计
随着应用领域的不断拓展，对CMOS图像 传感器的集成度和尺寸要求也越来越高， 需要研究更先进的工艺和设计方法。
安全监控
CMOS传感器广泛应用于安全监控领域，为公共场所和私人 住宅提供高清视频监控，提高安全保障。
cmos图像传感器ppt课件可编辑全文
数码相机传感器尺寸
单反相机一般采用的是大尺寸的APS-C画幅感光元 件，而有些卡片相机采用的是1/2.3英寸感光元件，虽 然它们可能都拥1800万像素，但是区别在于二者的单 个像素宽度不同。APS-C画幅、1800万像素感光元件 的每一个像素宽约为4.3微米，而1/2.3英寸、1800万像 素感光元件的每一个像素宽约有1.68微米。
6.6
11.00
1/1.7英寸 7.76
5.82
9.70
1/2.3英寸 6.16
4.62
7.70
1/3.2英寸 4.13
3.05
5.13
面积 864.00 518.94 372.88 332.27 261.80 224.90 116.16 58.08 45.16 28.46 12.60
数码相机的像素:
尾端各有3个像元为虚设单元。
图9.SXGA型图像传感器的像敏区结构
六、典型CMOS图像传感器
SXGA型CMOS成像器件的光谱特性如图10所示。
图10.SXGA型图像传感器的光谱响应特性曲线
六、典型CMOS图像传感器
SXGA型CMOS成像器件的输出特 性如图11所示。曲线的线性段的动 态范围仅为66dB。若采用对数放大
图5.主动式像敏单元结构的基本电路
图6.主动式像敏单元时序图
三、CMOS图像传感器的像敏单元结构
主动式像素结构（Active Pixel Sensor.简称APS）， 又叫有源式， 几乎在CMOS PPS像素结构发明的同时，人 们很快认识到在像素内引入缓冲器或放大器可以改善像素 的性能，在CMOS APS中每一像素内都有自己的放大器。集 成在表面的放大晶体管减少了像素元件的有效表面积，降 低了“封装密度”，使40%～50%的入射光被反射。这种传 感器的另一个问题是，如何使传感器的多通道放大器之间 有较好的匹配，这可以通过降低残余水平的固定图形噪声 较好地实现。由于CMOS APS像素内的每个放大器仅在此读 出期间被激发，所以CMOS APS的功耗比CCD图像传感器的 还小。
固体成像器件成像原理及应用
§8.2 CCD的结构与特性
为使CCD能在二相时钟脉冲驱动下工作，电极 须设计成不对称的结构，以保证电荷在不对称电 极下产生体内定向运动。
二相多晶硅栅极结构
§8.2 CCD的结构与特性
电极有方向性的二相CC D转移过程和时钟波形
§8.2 CCD的结构与特性
四电极结构CCD的奇数电极位于厚SiO2上，偶 数电极位于薄SiO2上。故即使在同一栅压下， 偶数电极下的耗尽层要深一些，以保证电荷产生 定向运动。
一、稳态下的MOS电容器
MOS电容器的结构
§8.1 CCD的物理基础与工作原理
理想MOS电容在外加偏压下的能带变化
§8.1 CCD的物理基P础型与半导工体作表原面理的
当Vg>Vth(阈值电压) 时，表面出现强反型 层。耗尽层达到最大 宽度，且不随Vg变化
反型层由电子构成， 称为N沟道；而N型 半导体的反型层称为 P沟道。
➢ 耗尽层内的载流子产生的暗电流； ➢ 衬底内的载流子产生的暗电流； ➢ SiO2-Si界面产生-复合中心产生的暗电流。
7、CCD的功耗
固体成像器件成像原理及应用
§8.1 CCD的物理基础与工作原理 §8.2 CCD的结构与特性 §8.3 CCD成像原理 §8.4 增强型（微光）电荷耦合成像器件 §8.5 CCD的应用 §8.6 CMOS成像器件及其应用
固体成像器件是指利用内光电效应工作在非真 空环境下的成像器件。
特点：体积小、重量轻、灵敏度高、寿命长、 低功耗、动态范围大。
例如：CCD、CID、CPD、SSPD
§8.1 CCD的物理基础与工作原理
固 体 成 像 器 件
固体成像系统
§8.1 CCD的物理基础与工作原理
CMOS图像传感器基本原理与应用简介
CMOS图像传感器在数码相机中的应用简介人们使用胶卷照相机已经上百年了，20世纪80年代以来，人们利用高新技术，发展了不用胶卷的CCD数码相机。
使传统的胶卷照相机产生了根本的变化。
电可写可控的廉价FLASH ROM的出现，以及低功耗、低价位的CMOS摄像头的问世。
为数码相机打开了新的局面，数码相机框图如图所示。
从图中可以看出，数码相机的内部装置已经和传统照相机完全不同了，彩色CMOS摄像头在电子快门的控制下，摄取一幅照片存于DRAM中，然后再转至FLASH ROM中存放起来。
根据FLASH ROM的容量和图像数据的压缩水平，可以决定能存照片的张数。
如果将ROM换成PCMCIA卡，就可以通过换卡，扩大数码相机的容量，这就像更换胶卷一样，将数码相机的数字图像信息转存至PC机的硬盘中存贮，这就大大方便了照片的存贮、检索、处理、编辑和传送。
图像传感器是将光信号转换为电信号的装置，在数字电视、可视通信市场中有着广泛的应用。
60年代末期，美国贝尔实脸室发现电荷通过半导体势阱发生转移的现象，提出了固态成像这一新概念和一维CCD(Charge-Coupled Device电荷耦合器件)模型器件。
到90年代初，CCD技术已比较成热，得到非常广泛的应用。
但是随着CCD应用范围的扩大，其缺点逐渐暴露出来。
首先，CCD技术芯片技术工艺复杂，不能与标准工艺兼容。
其次，CCD技术芯片需要的电压功耗大，因此CCD技术芯片价格昂贵且使用不便。
目前，最引人注目，最有发展潜力的是采用标准的CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor 互补金属氧化物场效应管)技术来生产图像传感器，即CMOS图像传感器。
CMOS图像传感器芯片采用了CMOS工艺，可将图像采集单元和信号处理单元集成到同一块芯片上。
由于具有上述特点，它适合大规模批量生产，适用于要求小尺寸、低价格、摄像质量无过高要求的应用，如保安用小型、微型相机、手机、计算机网络视频会议系统、无线手持式视频会议系统、条形码扫描器、传真机、玩具、生物显微计数、某些车用摄像系统等大量商用领域。
cmos image sensor 工作原理
cmos image sensor 工作原理CMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）图像传感器是一种常见的数字摄像头和摄像机中使用的图像传感器。
它是一种主动型传感器，采用一种特殊的半导体工艺来转换光信号为电信号。
CMOS图像传感器的工作原理基于光电效应和半导体器件的特性，让我们一步一步地来了解它的工作原理。
首先，我们需要了解光电效应。
光电效应是指当光照射到物质表面时，会引起物质中的电子发生跃迁，并产生电荷。
这是CMOS图像传感器能够将光信号转化为电信号的基础。
当光照到CMOS图像传感器的感光单元上时，光子会击中感光单元上的光电二极管，从而引起电荷的产生。
感光单元是CMOS图像传感器的基本单元，每个感光单元都由一个光电二极管和一个孔隙受体组成。
光电二极管是一种PN结构，当光照射到PN结上时，会产生电子-空穴对。
这些电子-空穴对会被电场分离，电子向感测器的N区移动，而空穴向感测器的P区移动。
这个过程被称为光电效应。
光电二极管将产生的电荷收集到感测器中，而感测器则将电荷转换为电压信号。
感测器是一种放大器，它将电荷放大为可测量的电压信号。
感测器通常由晶体管组成，晶体管的放大倍数决定了感测器的灵敏度。
在CMOS图像传感器中，有一个关键的部分是图像传感器阵列。
它由成千上万个感光单元排列在一起，形成一个二维阵列。
每个感光单元都能够感知光信号，并将其转化为电信号。
这些感光单元在整个阵列中被连接起来，形成一个像素阵列。
每个像素都有一个唯一的位置，可以通过行和列的地址进行访问。
当光照到像素上时，每个像素的感测器都会将电荷转换为电压信号。
这些电压信号会被传递到片上的模数转换器（ADC），将模拟电压信号转换为数字信号。
CMOS图像传感器还包括一些附加组件，如引导线、放大器和色彩滤波器。
引导线用于将电荷从感测单元传递到感测器和ADC。
放大器用于放大感测器产生的电压信号，以增加图像传感器的灵敏度。
《固态图像传感器》课件
C M O S 图像传感器的工作原理
1
曝光
光线通过镜头进入传感器，被转换为电荷。
2
读出
将电荷转换为电压信号，并通过AD转换器进行数字化处理。
C M O S 图像传感器的特点
1 集成度高
由于CMOS传感器采用集成电路制造技术，可集成更多的功能。
2 功耗低
CMOS传感器相较于CCD传感器功耗更低，适合移动设备和无线摄像。
CMOS
CMOS图像传感器采用集成电路制造技术，具有高集成度、低功耗和成本低等优势。
其他类型
除了CCD和CMOS，还有其他类型的固态图像传感器，如BSI、ToF等。
C C D 图像传感器的工作原理
1
暗电流
CCD图像传感器在暗环境下会产生一定的
曝光
2
暗电流，需要进行去噪处理。பைடு நூலகம்
光线通过镜头进入传感器，被转换为电
3 成本低
CMOS传感器的制造成本相对较低，能够为消费者提供更实惠的选择。
小结
C C D 和C M O S 图像传感器的区别
CCD具有低噪声和大动态范围，而CMOS集成度 高且功耗低。
应用领域
CCD适用于高要求的摄影和工业应用，CMOS广 泛用于手机、摄像头等消费电子产品。
《固态图像传感器》PPT 课件
本课程将介绍固态图像传感器的原理、类型和特点，以及CCD和CMOS图像传 感器的区别和应用领域。
什么是固态图像传感器？
固态图像传感器是一种用于将光信号转换为电信号的装置。它具有高感光度、 快速响应和准确捕捉细节等特点。
固态图像传感器的类型
CCD
CCD图像传感器通过光电转换实现图像捕捉，具有低噪声、高动态范围和全局快门等特点。
固体成像器件成像原理
固体成像器件成像原理固体成像器件（Solid-state imaging devices）是一种用于光学成像的器件，常见的例子是CCD（电荷耦合器件）和CMOS（互补金属氧化物半导体）图像传感器。
它们广泛应用于数码相机、摄像机、手机摄像头、微控制器等各种成像设备中。
首先，光电转换是指光信号的转换为电信号的过程。
当光照射到固体成像器件表面时，光子会激发器件中的电子，使其跃迁到导带能级上，形成载流体。
绝大部分固体成像器件使用半导体材料作为光电转换材料，其中CCD使用的是硅材料，CMOS传感器则使用的是互补金属氧化物半导体。
当光照强度越大时，激发的电子数目就越多，形成的电荷量也就越大。
在信号读出完成后，固体成像器件会将电荷信号转换为电压信号并进行放大。
在CCD传感器中，电荷通过电荷耦合器件的串行传输结构进行传递，然后通过放大电路进行放大。
而在CMOS传感器中，每个像素都有自己的放大电路，电荷经过感光器件转换为电流信号，再通过放大电路转换为电压信号进行输出。
固体成像器件的成像质量受到颗粒度、量子效率、动态范围等因素的影响。
颗粒度是指图像分辨率，也就是器件的像素数量。
量子效率是指每个像素对光的敏感程度，即光电转换效率。
动态范围是指器件能够处理的最大和最小信号差距。
在实际应用中，固体成像器件还会受到暗电流、暗噪声、像素非均匀性、幅值非线性和读出速度等因素的影响。
暗电流是指没有光照射时器件本身自带的电子产生的电流。
暗噪声是指没有光照射时由于热激励导致的电子和缺陷态的产生的电荷噪声。
像素非均匀性是指不同像素对光的响应程度不均匀。
幅值非线性是指光信号与输出电压之间的关系不是线性的。
读出速度是指将信号读出并进行处理的速度，对于高速成像来说，读出速度尤为重要。
总而言之，固体成像器件使用光电转换和信号读出两个过程进行图像成像。
通过调整材料、器件结构和电路设计等方面的参数，可以改善成像质量，并满足不同应用领域对成像器件的要求。
简述cmos图像传感器的工作原理及应用
简述cmos图像传感器的工作原理及应用CMOS图像传感器是一种用于转换光信号为电子信号的器件，可以将光学图像转换成数字图像，其工作原理是基于光电效应和集成电路技术。
CMOS图像传感器由图像传感单元阵列和信号处理单元组成。
图像传感单元阵列由大量的光敏单元组成，每个光敏单元具有一个光感受器和一个电荷积累器，用于将光信号转换为电荷，并对图像进行采样。
每个光敏单元相邻之间通过衬底电位的设置实现光电转换效应。
信号处理单元负责将电荷转换为电压、放大、采样和数字化。
CMOS图像传感器的工作原理如下：当光照射到光敏单元上时，光敏单元中的光感受器将光信号转化为电荷。
电荷通过电场的作用从光感受器向电荷积累器偏移，并在电荷积累器中积累。
一旦接收到光信号并完成电荷积累后，将在传感器的特定位置产生电压信号。
然后，信号处理单元会将电荷转换为电压，并对图像进行放大、采样和数字化处理。
最后，图像传感器将数字图像通过数据接口发送给外部设备。
CMOS图像传感器具有以下几个优点：1. 集成度高：CMOS图像传感器可以集成在单个芯片上，因此可以实现小尺寸和轻量化，适合于集成在各种移动设备中。
2. 低功耗：CMOS图像传感器的功耗相对较低，可以延长设备的电池寿命。
3. 成本低：相比于传统的CCD图像传感器，CMOS图像传感器的制造工艺更简单，成本更低。
4. 高速读取：CMOS图像传感器可以实现高速连续拍摄，适用于高速摄影和视频录制等应用。
5. 可编程性强：CMOS图像传感器的信号处理单元可以通过软件配置进行调整和优化，实现更灵活的图像处理。
CMOS图像传感器在各个领域都有广泛的应用，包括但不限于以下几个方面：1. 摄像头和视频监控：CMOS图像传感器可以应用于手机摄像头、数码相机、安防摄像头等领域，实现图像和视频的捕捉和处理。
2. 机器视觉和工业自动化：CMOS图像传感器可以应用于机器视觉系统中，用于图像的识别、测量和检测，广泛应用于工业自动化、智能制造等领域。
CMOS图像传感器的工作原理及研究
CMOS图像传感器的工作原理及研究摘要：介绍了CMOS图像传感器的工作原理，比较了CCD图像传感器与CMOS图像传感器的优缺点，指出了CMOS图像传感器的技术问题和解决途径，综述了CMOS图像传感器的现状和发展趋势。
1 引言自从上世纪60年代末期，美国贝尔实验室提出固态成像器件概念后，固体图像传感器便得到了迅速发展，成为传感技术中的一个重要分支，它是PC机多媒体不可缺少的外设，也是监控中的核心器件。
互补金属氧化物半导体（CMOS）图像传感器与电荷耦合器件（CCD）图像传感器的研究几乎是同时起步，但由于受当时工艺水平的限制，CMOS图像传感器图像质量差、分辨率低、噪声降不下来和光照灵敏度不够，因而没有得到重视和发展。
而CCD器件因为有光照灵敏度高、噪音低、像素少等优点一直主宰着图像传感器市场。
由于集成电路设计技术和工艺水平的提高，CMOS图像传感器过去存在的缺点，现在都可以找到办法克服，而且它固有的优点更是CCD器件所无法比拟的，因而它再次成为研究的热点。
70年代初CMOS传感器在NASA的Jet Propulsion Laboratory(JPL)制造成功，80年代末，英国爱丁堡大学成功试制出了世界第一块单片CMOS型图像传感器件，1995年像元数为（128×128）的高性能CMOS有源像素图像传感器由喷气推进实验室首先研制成功[1]，1997年英国爱丁堡VLSI Version公司首次实现了CMOS图像传感器的商品化，就在这一年，实用CMOS技术的特征尺寸已达到0.35mm，东芝研制成功了光敏二极管型APS，其像元尺寸为5.6mm×5.6mm，具有彩色滤色膜和微透镜阵列，2000年日本东芝公司和美国斯坦福大学采用0.35mm技术开发的CMOS-APS已成为开发超微型CMOS摄像机的主流产品。
2 技术原理CCD型和CMOS型固态图像传感器在光检测方面都利用了硅的光电效应原理，不同点在于像素光生电荷的读出方式。
cmos传感器的工作原理
cmos传感器的工作原理
CMOS传感器是一种用于数字图像捕捉的技术，其工作原理
是通过利用微小的CMOS图像传感器来捕捉光信号并将其转
换为数字图像。
CMOS传感器由许多微小的像素组成，每个像素包含一个光
敏元件和一个放大器。
当光线进入传感器时，光线会击中像素中的光敏元件。
光敏元件会通过吸收光线而产生电荷，电荷的强度与光线的强度成正比。
一旦电荷被生成，它会在像素内部的电路中被放大。
然后，放大的电荷被转换为数字信号，并通过传感器上的输出接口传输到图像处理器。
CMOS传感器的一个重要特点是每个像素都有自己的放大器
和ADC（模数转换器）。
这意味着每个像素可以独立地转换
光信号并将其转换为数字信号。
这种特性使得CMOS传感器
能够同时处理多个像素的信号，从而提供更高的图像捕捉速度和更快的连拍能力。
与传统的CCD（电荷耦合器件）传感器相比，CMOS传感器
具有更低的功耗和更小的物理尺寸。
由于每个像素都有自己的放大器，CMOS传感器对图像进行增强和处理的能力也更强。
此外，由于制造工艺的不同，CMOS传感器具有较低的制造
成本，因此更容易批量生产。
总的来说，CMOS传感器通过利用微小的CMOS图像传感器
来捕捉光信号并将其转换为数字信号。
它具有更高的图像捕捉速度和连拍能力，并且具有较低的功耗和成本。
CMOS图像传感器原理及应用ppt课件
• 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。
• • • • • •
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。
cmos图像传感器
cmos图像传感器
CMOS（互补金属-氧化物半导体）图像传感器是一种能够
将光信号转换为电信号的高科技半导体器件，具有高速度、高分辨率和低功耗等优势。
其被广泛应用于消费电子、医疗、安防等多种领域，并成为数字图像领域的核心技术之一。
CMOS图像传感器的工作原理是利用图像传感器芯片上的
光电二极管阵列，将接收到的光信号转化为电信号，然后通过处理电路将电信号转换为数字信号，并输出到图像处理器中进行图像处理和显示。
CMOS图像传感器的制造工艺复杂，需要多道光刻、注入、扩散等步骤。
但随着微电子技术的不断发展，制造工艺得到了不断的改进和提高，大大降低了制造成本。
CMOS图像传感器相比传统的CCD（电荷耦合器件）图像
传感器具有更低的功耗和更高的集成度，能够实现更小的尺寸和更高的像素密度，并支持更高的帧率。
这使得CMOS图像传
感器得到了广泛的应用。
CMOS图像传感器的应用领域非常广泛，包括数码相机、
手机摄像头、智能手机、监控摄像头、医疗设备、机器视觉、无人机等。
随着社会科技的不断发展，CMOS图像传感器的应
用将会越来越普及。
总之，CMOS图像传感器作为数字图像领域的核心技术之一，具有广泛的应用前景。
未来，CMOS图像传感器的制造工
艺将会继续提高，带来更加精确、高效并智能的图像处理技术，为人们的生活带来更多的便利和享受。
cmos图像传感器
CMOS图像传感器CMOS图像传感器是一种集成电路芯片，用于将光信号转换为电信号。
它被广泛应用于数码相机、手机摄像头、安防监控等领域。
CMOS传感器与传统的CCD传感器相比，具有成本更低、功耗更低和集成度更高等优势，因此在市场上占据着主导地位。
工作原理CMOS图像传感器是由大量的像素阵列组成的。
每个像素由一个光敏元件和信号处理电路组成。
当光线照射到像素上时，光敏元件会产生电荷，并通过信号处理电路转换为电信号。
然后，这些电信号会经过放大、滤波、去噪等处理，最终形成图像数据。
特点1.成本更低：由于CMOS传感器采用普通的CMOS工艺制造，生产成本相对较低。
2.功耗更低：CMOS传感器可以实现像素级别的信号放大和处理，功耗较低。
3.集成度更高：CMOS传感器集成了像素阵列、信号处理电路等功能，整体集成度更高。
应用领域1.数码相机：CMOS传感器广泛应用于数码相机中，提供高质量的图像捕捉能力。
2.手机摄像头：手机摄像头通常采用CMOS传感器，实现轻便、高清的拍摄功能。
3.安防监控：CMOS传感器在安防监控领域也有重要应用，实现对环境的实时监控和录像功能。
发展趋势随着科技的不断进步，CMOS图像传感器在像素数量、动态范围、低光性能等方面都在不断提升。
未来，CMOS传感器有望实现更高的分辨率、更低的噪声水平、更广的色彩范围，以满足用户对于图像质量的不断追求。
总的来说，CMOS图像传感器作为一种重要的光电器件，在数字影像领域发挥着关键作用，其不断创新和进步将为人们的视觉体验带来更多惊喜。
cmos图像传感器原理
cmos图像传感器原理CMOS图像传感器原理。
CMOS图像传感器是一种集成电路芯片，它可以将光信号转换成电信号，是数字摄像机和数码相机中最重要的部件之一。
它的原理和工作方式对于理解数字摄影和图像处理有着重要的意义。
本文将从CMOS图像传感器的原理入手，详细介绍其工作原理和特点。
CMOS图像传感器是由光敏元件和信号处理电路组成的集成电路芯片。
在光敏元件方面，CMOS图像传感器采用了光电二极管（Photodiode）作为光敏元件，当光线照射到光电二极管上时，光子的能量会激发电子从价带跃迁到导带，产生电荷。
这些电荷会根据光照的强弱而积累在光电二极管中，形成电荷包。
而在信号处理电路方面，CMOS图像传感器采用了大量的晶体管和传输栅来控制和读取光电二极管中的电荷包，将其转换成数字信号输出。
CMOS图像传感器相比于传统的CCD图像传感器有着许多优势。
首先，CMOS图像传感器的集成度高，可以集成更多的功能单元，如模拟信号处理单元、数字信号处理单元等，使得整个系统更加紧凑和高效。
其次，CMOS图像传感器的功耗低，因为它可以采用CMOS工艺制造，功耗较低，适合于便携式设备。
此外，CMOS图像传感器的读取速度快，可以实现高速连续拍摄，适合于高速摄影和视频拍摄。
在实际的应用中，CMOS图像传感器有着广泛的应用领域。
在数码相机中，CMOS图像传感器可以实现高分辨率的拍摄，并且可以实现高速连拍和视频拍摄。
在智能手机中，CMOS图像传感器可以实现快速对焦和高清拍摄。
在工业领域，CMOS图像传感器可以实现机器视觉和自动化生产。
在医学领域，CMOS图像传感器可以实现医学影像的获取和分析。
总之，CMOS图像传感器是一种重要的光电转换器件，它的原理和工作方式对于理解数字摄影和图像处理有着重要的意义。
它的优势在于集成度高、功耗低、读取速度快，应用领域广泛。
随着科技的不断发展，CMOS图像传感器将会在更多的领域得到应用，为人们的生活和工作带来更多的便利和效益。
cmos image sensor 原理
cmos image sensor 原理
CMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）图像传
感器是一种集成电路技术，用于捕捉和处理光信号并转化为数字图像。
CMOS图像传感器基于CMOS技术，结合了传感器
和处理器的功能。
CMOS图像传感器的原理如下：
1. 光敏区：CMOS图像传感器包含一个光敏区，通常由光敏
单元组成。
这些光敏单元由光敏材料（比如硅）组成，当光照射到它们时，光子会与光敏单元相互作用产生电荷。
2. 电荷转换：光敏单元中的光电荷会被转换成电压信号。
传感器中的像素电路会将光电荷转换成电势或电流信号，以便能够测量光照的强度。
3. 信号放大：转换后的电势或电流信号会经过信号放大器进行放大，以提高信号的强度和准确性。
4. 数字信号处理：放大后的信号会经过一系列的数字信号处理电路，比如模数转换器（Analog-to-Digital Converter, ADC），用于将模拟信号转换成数字信号。
这个过程将信号分割成像素，并对每个像素进行处理。
5. 数字图像输出：处理后的数字信号会传送到输出端口，通常是通过串行接口传输给计算机或其他设备。
这些设备会对数字信号进行解码，并显示为可视的图像。
CMOS图像传感器具有成本低、功耗低和集成度高的优势，
广泛应用于数码相机、摄像机、手机和其他计算机视觉应用中。
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2015年4月28日
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卷帘式快门方式下成像质量分析
当前读出行为第X行 读出指针 积分窗口 0 1 2
当前读出行为第Y行 0 1 2
扫描方向
复位窗口
复位窗口
读出指针
n-1 n
(1) 黑条的移动方向
n (2)
n-1
积分窗口 黑条的移动方向
运动物体在卷帘式快门方式下成像原理示意图
2015年4月28日
2015年4月28日
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填充率
• 提高填充率的方法
– 采用微透镜 – 采用特殊像元结构
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微透镜
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微透镜和特殊像元结构
2015年4月28日
第34页
卷帘式快门
• 具有卷帘式快门的图像传感器中不同行上的像素按 照一定的顺序进行复位，通常从图像传感器的顶端 开始向下，逐行进行复位，直到底部。当复位过程 进行若干行之后，读出过程开始，通过改变处于积 分状态的像素行的数目就可以改变积分光时间。 • 因此，一行结束复位就像帘布快门释放第一块帘布， 而读出就像帘布快门释放第二快帘布。
2015年4月28日 第26页
CMOS图像传感系统结构
256K×16 （EDO/SDRAM）
8/10 bits Data
Addr. R/W 8/10
CMOS数字 摄像器件 UART （HDCS）
摄像接口
DRAM接口
压缩引擎 CE
Compression Engine 8
48MHZ
晶振
系统 控制器
8
USB 接口
• 高端CCD的噪声水平
– 暗电流：<20pA/cm2 – 读出噪声：1～10个电子
2015年4月28日 第29页
CMOS与CCD器件性能对比
序号 性能 CMOS图像传感器 CCD图像传感器
1
2 3 4
填充率（%）
暗电流（PA/cm2） 噪声电子数 FPN(%)
10~50
100~2000 30~100 <0.5%（均方根值RMS）
2015年4月28日 第28页
CMOS图像传感器的缺点
• 噪声特性差
– 由于CMOS图像传感器在像元中引入复位、行选通、放大 器晶体管，其噪声特性比CCD要差。 – 主要表现在暗电流、固定模式噪声和读出噪声等几方面。
• 现有的CMOS图像传感器噪声水平
– 暗电流：100pA/cm2～2000pA/cm2 – 固定模式噪声一般<0.5%（均方根值，RMS） – 读出噪声：30～100个电子
2015年4月28日
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2015年4月28日
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2015年4月28日
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2015年4月28日
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
2015年4月28日
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复位操作和积分操作
2015年4月28日
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电荷收集过程
2015年4月28日
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CMOS图像传感器像元结构
• 无源像元(Passive Pixel) • 有源像元（Active Pixel） • 光电栅型像元（Photogate Pixel）
• 典型线阵CCD介绍
– TCD1209 – TCD1251
• 典型面阵CCD（IA－D4）介绍
2015年4月28日
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2015年4月28日
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TCD1209波形图
2015年4月28日 第7页
二、本讲主要内容
• MOS与CMOS场效应晶体管 • CMOS图像传感器的原理与结构 • 典型的CMOS图像传感器
G B G B
R G R G
:
G B G B
R G R G
....
G B G B
R G R G
:
G B G B
R G R G
Bayer 滤色图案
2015年4月28日
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畸变的例子（一）
卷帘快门照相机拍摄的风扇失真的事例图： 静态物体（右图）和动态物体（左图）
2015年4月28日
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畸变的例子（二）
全局式快门得到的图像
卷帘式快门得到的图像
2015年4月28日
第37页
预分频器＝1
40行
预分频器＝3
78行
预分频器＝2
预分频器＝4 32行
2015年4月28日 第21页
蔽光区 存储控制 曝光 控制 V1 UDD V2 V3
复位 V4
行选通 光敏二极管 V5
五管像敏单元结构
2015年4月28日
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CMOS图像传感器的一般结构
数字视频输出
行 光敏单元阵列 选 择 列选及放大
模拟数字转换电路
模拟信号处理电路
视频时序产生电路
曝光、白平衡等控制
逐个像元输出
只能在器件外设置 只能在器件外设置 只能在器件外设置 只能在器件外设置 Si，400~1000nm
CMOS图像传感器的特殊之处
填充率（Low Fill Factor） 卷帘式快门（Rolling Shutter） 无开花现象（Anti-Blooming） 开窗口能力（Windowing Size） 局部可控电子快门（Regional Electronic Shutter ） • 颜色滤波阵列（RGB color filter） • • • • •
有源像敏单元结构
蔽光区
UDD 光敏二极管 存储开关管 行选通
四管像敏单元结构
2015年4月28日
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CMOS像元结构示意图
2015年4月28日
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2015年4月28日
第20页
光电栅型像元（Photogate Pixel）
• 光电栅型APS CMOS像素单元 框图如右图所示。像素单元包括 光电栅PG（Photogate）、浮置 扩输出FD(Flcating Diffusion)、 传输电栅TX(Transfer Gate)、 复位晶体管MR(Reset Transistor)、作为源极跟随器的 输入晶体管MIN、以及行晶体管 MX，实际上，每个像元内部就 是一个小小的表面沟道CCD。 • 每列单元共用一个读出电路，它 包括第一源极跟随器的负载晶体 管MLN以及两个用于存储信号 电平和复位电平的双采样和保持 电路。这种对复位和信号电平同 时采样的相关双采样电路CDS能 抑制来自像元浮置节点的复位噪 声。
2015年4月28日
第42页
防止溢出
2015年4月28日
第43页
大动态范围
2015年4月28日
第44页
CMOS技术则无开花、无拖尾
2015年4月28日
第45页
未用“双斜坡”技术的图像
2015年4月28日
第46页
未用“双斜坡”技术的图像
2015年4月28日
第47页
采用“双斜坡”技术的图像
2015年4月28日
固态成像器件原理及应用 第六讲－CMOS图像传感器原理及参数
长春理工大学 刘智
2008年11月28日
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主要内容
上节课习题讲解 一、上一讲内容回顾 二、本讲主要内容 三、小结 四、作业
2015年4月28日
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上一讲习题解答
• 立体角Ω，是一个物体对特定点的三维空间的角度。 它是站在那一点的观察者测量物体大小的尺度。例如， 一个附近的小物体可以与一个远处的大物体对于一个 点有相同的立体角。立体角是物体在一个以观测点为 圆心的球的投影面积与球半径的比。 • （Ω =S/r）这正像平面角是圆的弧长与半径的比。 • 立体角的国际制单位是steradian(球面度)。 更严密的， 立体角是面S对点P的面积分：
第48页
2015年4月28日
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2015年4月28日
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2015年4月28日
第51页
• Bayer 滤色片结构：图像传感器结构是每行同时输出 2列上的像素：一行按G,R;---G,R。下一行按B,G;--B,G。因此，图像尺寸基本以2×2的倍数扩大或缩小。
0 0 1 2 3 : 476 477 478 479 1 2 3 ... 636 637 638 639
– OV7620 – IBIS5－1300－M
2015年4月28日
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CMOS图像传感器原理
• CMOS图像传感器概念
– Complementary Metal-Oxide-Semiconductor Image Sensor。
• 是一种用传统的集成电路工艺方法将光敏元 件、放大器、A/D转换器、存储器、数字信 号处理器和计算机接口电路集成在一块硅片 上的图像传感器件。
2015年4月28日 第23页
I2C总线接口
组成原理框图
2015年4月28日
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CMOS图像传感器发展过程
• 1963年– Morrison 发表了可计算传感器，这是一种可以 利用光导效应测定光斑位置的结构，成为CMOS图像传感 器发展的开端。 • 1964年– IBM的Horton et. al发表了scanistor，这是一种 通过电阻网络寻址的一维光电二极管阵列扫描器，这种扫 描器产生与入射光能量成线性比例关系的输出脉冲电压。 • 1966年–西屋公司的Schuster和Strull报道了像元分辨率为 50×50的单片光敏晶体管成像阵列器件：MOS阵列集成 电路（MOSAICS，Mos Oxide Semiconductor Array Integrated Circuits）。这种光电晶体管都能产生与入射 光强成比例的信号，其输出与瞬时入射光能量成正比关系， 不进行任何积分操作，因此其灵敏度相对较低。由于技术 水平的限制，这种结构需要外部电路才能实现扫描读出操 作。