cmos图像传感器

图像传感器一个直观的性能指标就是对图像的复现的能 力。而象素阵列就是直接关系到这一指标的关键的功能 模块。
CMOS图像传感器的像素结构目前主要有无源像素图像传感器 （Passive Pixel Sensor，PPS）和有源像素图像传感器 （Active Pixel Sensor，APS）两种，如下图所示。
有源像素单元APS又可分为光敏二极管型APS、光栅型 S.
光敏二极管型APS
它的工作过程是：首先进入“复位状态”，M1打开，对光敏二极管复 位；然后进入“取样状态”，M1关闭，光照射到光敏二极管上产生光 生载流子，并通过源跟随器M2放大输出；最后进入“读出状态”，这 时行选通管M3打开，信号通过列总线输出。
CMOS传感器的结构
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。 CMOS图像传感器芯片的结构 如图 所示。
CMOS图像传感器基本工作原理
工作过程 外界光照射像素阵列，发生光电效应，在像素单元内 产生相应的电荷。
行选择逻辑单元根据需要，选通相应的行像素单元。 行像素单元内的图像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，转 换成数字图像信号输出。
影响CMOS传感器性能的主要问题
噪声 这是影响CMOS传感器性能的首要问题。这种噪声包括固定图形噪声
FPN(Fixed pattern noise)、暗电流噪声、热噪声等。固定图形噪声产 生的原因是一束同样的光照射到两个不同的象素上产生的输出信号不 完全相同。噪声正是这样被引入的。 对付固定图形噪声可以应用双采样或相关双采样技术。双采样是先读 出光照产生的电荷积分信号，暂存然后对象素单元进行复位，再读取 此象素单元地输出信号。两者相减得出图像信号。两种采样均能有效 抑制固定图形噪声。
工作原理
其中的行选择逻辑单元可以对像素阵列逐行扫描也可隔行 扫描。行选择逻辑单元与列选择逻辑单元配合使用可以实 现图像的窗口提取功能。模拟信号处理单元的主要功能是 对信号进行放大处理，并且提高信噪比。另外，为了获得 质量合格的实用摄像头，芯片中必须包含各种控制电路， 如曝光时间控制、自动增益控制等。为了使芯片中各部分 电路按规定的节拍动作，必须使用多个时序控制信号。为 了便于摄像头的应用，还要求该芯片能输出一些时序信号， 如同步信号、行起始信号、场起始信号等。
暗电流
物理器件不可能是理想的，如同亚阈值效应一样，由于杂质、受热等 其他原因的影响，即使没有光照射到象素，象素单元也会产生电荷， 这些电荷产生了暗电流。暗电流与光照产生的电荷很难进行区分。暗 电流在像素阵列各处也不完全相同，它会导致固定图形噪声。
为减少暗电流对图像信号的影响，首先可以采取降温手段。但是，仅 对芯片降温是远远不够的，由暗电流产生的固定图形噪声不能完全通 过双采样克服。采用的有效的方法是从已获得的图像信号中减去参考 暗电流信号。
硕5103 赵光美
CMOS 图像传感器简介
CMOS 是 ComplementaryMetal- OxideSemiconductor 的简称， 译为“互补型金属氧化物半导体”。所谓互补型，就是讲 PMOS晶 体管与 NMOS晶体管这两种特性不同的场效应晶体管连接起来 是特性相互补的结构形式。这两个互补效应所产生的电流即可 被处理芯片记录和解读成影像，随着CMOS技术的发展， CMOS也逐渐应用到数码摄像系统，也就是 CMOS 图像传感器。 由于 CMOS 成像器采用一般半导体电路最常用的 CMOS工艺， 可以轻易地将周边电路集成到传感器芯片中，从而继承CMOS低 功耗，小型化的特点，非常适用于小型的手持式摄像机、小型 安防监视摄像机、平板电脑、手机、笔记本电脑、某些车用摄 像系统等领域。
同时作为横向溢出门控制光生电荷的积累和转移。源 跟随器M1的作用是实现对信号的放大和缓冲，改善 APS的噪声问题。源跟随器还可加快总线电容的充放 电，因而允许总线长度增加和像素规模增大。
光栅型APS
其中感光结构由光栅PG 和传输门TX构成。光栅输出端为漂移扩散端FD，它 与光栅PG被传输门TX隔开。像素单元还包括一个复位晶体管M1，一个源跟随 器M2和一个行选通晶体管M3。当光照射在像素单元时，在光栅PG处产生电 荷；与此同时，复位管M1打开，对势阱复位；然后复位管关闭，行选通管M3 打开，复位后的电信号由此通路被读出并暂存起来，之后传输门TX打开，光 照产生的电信号通过势阱并被读出，前后两次的信号差就是真正的图像信号。
它是由光敏二极管，复位管M4，源跟随器M1和行选 通开关管M2组成，此外还有电荷溢出门管M3，M3的
作用是增加电路的灵敏度，用一个较小的电容就能够 检测到整个光敏二极管的n+扩散区所产生的全部光生 电荷，它的栅极接约1V的恒定电压，在分析器件工作
原理时可以忽略将其看成短路。电荷敏感扩散电容用 做收集光生电荷。复位管M4对光敏二极管和电容复位，
由于PPS信噪比低、成像质量差，所以目前绝大多数 CMOS图像传感器采用的是APS结构。APS结构的像素 内部包含一个有源器件放大器。每个放大器仅在读出 期间被激发，所以将经光电转换后的信号在像素内放 大，然后用X－Y地址方式读出，提高了固体图像传感 器的灵敏度。APS像素单元有放大器，它不受电荷转移 效率的限制，速度快，图像质量较PPS得到了明显地改 善。
CMOS传感器发展历史
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，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。