CMOS图像传感器基本原理与应用简介

CMOS图像传感器原理与应用简介
摘要：本文介绍了CMOS图像传感器器件的原理、性能、优点、问题及应对措施，以及CMOS图像传感器的市场状况和一些应用领域。

Brief introduction of principle and applications of CMOS image
sensor
Abstract: This paper introduces the principle, performance, advantages also with the problems and solutions of CMOS image sensor. The market status and applications are also given in this essay.
北京航空航天大学李育琦1引言
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。

20世纪80年代，英国爱丁堡大学成功地制造出了世界上第一块单片CMOS图像传感器件。

目前，CMOS图像传感器正在得到广泛的应用，具有很强地市场竞争力和广阔地发展前景。

2 CMOS图像传感器基本工作原理
右图为CMOS图像传感器的功能框图。

首先，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。

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。

3象素阵列工作原理
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。

按照像素阵列单元结构的不同,可以将像素单元分为无源像素单元PPS(passive pixel schematic)，有源像素单元
APS(active pixel schematic)和对数式像素单元，有源像素单元APS又可分为光敏二极管型APS、光栅型APS。

以上各种象素阵列单元各有特点，但是他们有着基本相同的工作原理。

以下先介绍它们基本的工作原理，再介绍各种象素单元的特点。

下图是单个象素的示意图。

(1)首先进入“复位状态”，此时打开门管M。

电容被充电至
V，二极管处于反向状态；
(2)然后进人“取样状态”。

这时关闭门管M,在光照下二极
管产生光电流，使电容上存贮的电荷放电，经过一个固定时间间隔后，电容C上存留的电荷量就与光照成正比例，这时就将一幅图像摄入到了敏感元件阵列之中了；
(3)最后进入“读出状态”。

这时再打开门管M,逐个读取各像素中电容C上存贮的电荷电压。

无源像素单元PPS出现得最早，自出现以来结构没有多大变化。

无源像素单元PPS结构简单，像素填充率高，量子效率比较高，但它有两个显著的缺点。

一是，它的读出噪声比较大，其典型值为20个电子，而商业用的CCD级技术芯片其读出噪声典型值为20个电子。

二，随着像素个数的增加，读出速率加快，于是读出噪声变大。

光敏二极管型APS量子效率比较高，由于采用了新的消噪技术，输出图形信号质量比以前有许多提高，读出噪声一般为75～100个电子,此种结构的C3&适合于中低档的应用场合。

在光栅型APS结构中，固定图形噪声得到了抑制。

其读出噪声为10～20个电子。

但它的工艺比较复杂，严格说并不能算完全的CMOS工艺。

由于多晶硅覆盖层的引入，使其量子效率比较低，尤其对蓝光更是如此。

就目前看来，其整体性能优势并不十分突出。

4影响CMOS传感器性能的主要问题
4.1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。

具体地说来有点像在设计模拟放大器时引入差分对来抑制共模噪声。

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。

另外，相关双采样需要临时存储单元，随着象素地增加，存储单元也要增加。

4.2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。

对于含有积分功能的像素单元来说，暗电流所造成的固定图形噪声与积分时间成正比。

暗电流的产生也是一个随机过程，它是散弹噪声的一个来源。

因此，热噪声元件所产生的暗电流大小等于像素单元中的暗电流电子数的平方根。

当长时间的积分单元被采用时，这种类型的噪声就变成了影响图像信号质量的主要因素，对于昏暗物体，长时间的积分是必要的，并且像素单元电容容量是有限的，于是暗电流电子的积累限制了积分的最长时间。

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。

现在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。

4.3象素的饱和与溢出模糊
类似于放大器由于线性区的范围有限而存在一个输入上限，对于CMOS图像传感芯片来说，它也有一个输入的上限。

输入光信号若超过此上限，像素单元将饱和而不能进行光电转换。

对于含有积分功能的像素单元来说，此上限由光电子积分单元的容量大小决定：对于不含积分功能的像素单元，该上限由流过光电二极管或三极管的最大电流决定。

在输入光信号饱和时，溢出模糊就发生了。

溢出模糊是由于像素单元的光电子饱和进而流出到邻近的像素单元上。

溢出模糊反映到图像上就是一片特别亮的区域。

这有些类似于照片上的曝光过度。

溢出模糊可通过在像素单元内加入自动泄放管来克服，泄放管可以有效地将过剩电荷排出。

但是，这只是限制了溢出，却不能使象素能真实还原出图像了。

5 CMOS图像传感器的市场状况
据市场调研公司Cahners In-stat Group预测，未来几年内，基于CMOS图像传感器的影像产品将达到50％以上，也就是说，到时CMOS图像传感器将取代CCD而成为市场的主流。

可见，CMOS摄像机的市场前景非常广阔。

今后几年，全球CMOS图像传感器销售量将迅速增加，并将在许多数字图像应用领域向传统的CCD发起冲击。

这是因为CMOS图像传感器件具有两大优点：一是价格比CCD器件低15%~25%；二是其芯片的结构可方便地与其它硅基元器件集成，从而可有效地降低整个系统的成本。

尽管过去CMOS图像传感器的图像质量比CCD差且分辨率低，然而经过迅速改进，已不断逼近CCD的技术水平，目前这种传感器件已广泛应用于对分辨率要求较低的数字相机、电子玩具、电视会议和保安系统的摄像结构中。

日本Nintendo有限公司推出的采用CMOS图像传感器的低分辨率数字相机，上市头两个月，销售量就达100万台。

三菱公司、摩托罗拉、惠普、东芝和Intel 公司也紧接着上市该类产品。

6 CMOS图像传感器件的应用
6.1数码相机
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，数码相机功能框图如右下图所
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。

6.2 CMOS数字摄像机
美国Omni Vison公司推出的由OV7610型CMOS彩色数字图像芯片和OV511型高级摄像机以及USB接口芯片所组成的USB摄像机，其分辨率高达640 x 480，适用于通过通用串行总线传输的视频系统。

OV511型高级摄像机的推出，可使得PC机能以更加实时的方法获取大量视频信息，其压缩芯片的压缩比可以达到7:1，从而保证了图像传感器到PC机的快速图像传输。

对于CIF图像格式，OV511型可支持高达30帧/秒的传输速率、减少了低带宽应用中通常会出现的图像跳动现象。

OV511型作为高性能的USB接口的控制器，它具有足够的灵活性，适合包括视频会议、视频电子邮件、计算机多媒体和保安监控等场合应用。

6.3其他领域应用
CMOS图像传感器是一种多功能传感器，由于它兼具CCD图像传感器的性能，因此可进入CCD的应用领域，但它又有自己独特的优点，所以开拓了许多新的应用领域。

除了上述介绍的主要应用之外，CMOS图像传感器还可应用于数字静态摄像机和医用小型摄像机等。

例如，心脏外科医生可以在患者胸部安装一个小“硅眼”，以便在手术后监视手术效果，CCD就很难实现这种应用。

7总结
以上从与CCD的对比开始，介绍CMOS图像传感器器件物理层次的原理、性能、优点、不足及应对措施；之后谈及了CMOS图像传感器的市场状况以及一些应用领域。

从中可以看出，作为一种新生的半导体器件，CMOS以其自身的特点表现出了极大的优势和潜力，这种潜力将在不久的未来进一步得到发挥。

固体图像传感器
名词图片
固体图像传感器 image solid transducer 采用固体图像敏感器件将二维图像变换为电信号的光电式传感器。

固体图像敏感器件是高度集成化(即固体化)的半导体光敏元阵列。

70年代以来,随着硅半导体工艺和集成电路技术的发展，已能在大尺寸的硅衬底上制成特性均匀的半导体结、并能达到很高的集成度。

这就为制造固体图像敏感器件创造了条件，使固体图像传感器迅速发展起来。

与传统的摄像管（电真空器件）相比，固体图像传感器具有尺寸小、价廉、工作电压低、寿命长、性能稳定和图像边缘无畴变等优点。

目录
组成
固体图像敏感器件分类介绍
应用
组成
固体图像敏感器件分类介绍
应用
展开
编辑本段组成
固体图像传感器由物镜、固体图像敏感器件、驱动电路和信息处理电路组成。

物镜使图像在敏感器件的光敏区清晰地成像。

固体图像敏感器件有一维和二维两种。

在采用一维敏感器件的传感器中，由敏感器件完成一维扫描，同时将图像作另一维方向的移动，从而完成二维图像的扫描。

二维图像敏感器件是光敏元的二维阵列,工作时每个光敏元本身对应着图像
的一个像素,在驱动电路的作用下按行输出脉冲信号，每个脉冲的幅值与它所对应的像素的光强度成正比。

最后，图像脉冲信号被送往信息处理电路进行放大和处理，变成适于后续设备接收处理的信号。

固体图像敏感器件是图像传感器的核心，可分为电荷耦合器件、光电二极管阵列、电荷耦合光电二极管阵列和电荷注入器件4类。

编辑本段固体图像敏感器件分类介绍
电荷耦合器件
它的英
文缩写为CCD,由美国贝尔实验室的W.S.博伊尔和G.E.史密斯于1970年发明。

CCD有线阵和面阵两种。

线阵最大达2048位(每位为一个光敏元)，相邻两位中心距在13～16微米间。

驱动电路工作方式有再充电脉冲模式（最大扫描速度达10兆赫）及取样和保持方波输出模式（最大扫描速度达2兆赫）。

CCD芯片是在N型或P型硅衬底上生长一薄层二氧化硅，然后在二氧化硅薄层上依次沉积金属电极形成规则排列的金属氧化物（MOS）电容器阵列,最后在两端加上输入输出二极管而制成。

工作时,CCD通过电荷转移把光信号变换成电脉冲信号输出。

脉冲幅度与它所对应的光敏元的受光强度（对应于图像的某个像素）成正比，而脉冲顺序则反映光敏元的位置。

图1为一维CCD器件中电荷转移的原理图。

它有64个光敏元，每个光敏元上有3个转移栅电极：1、2、3。

光照时，因光子轰击而产生电子-空穴对，即光生电荷,其电荷量正比于入射光强度。

通过驱动电路对 3个相邻电极分别加以时间上交迭的时钟脉冲电压φ1、φ2、φ3来实现光敏元电荷的转移。

设在t1时刻φ1为低电平，使电极1下的N型硅衬底中的电子受排斥而离开二氧化硅界面（即产生一个势阱），而电极2、3分别加高电位的φ2、φ3（即产生势垒）,因此正电荷（空穴）受低电平电极1的吸引和高电平电极2的排斥而留在电极1之下(即落入势阱之中)。

在t3时刻φ1、φ2
为低电平，φ3仍为高电平，电荷开始向电极2之下转移。

在t3时刻φ1、φ3为高电平,φ2为低电平,电荷全部移至电极2之下。

继续下去电荷移到电极3之下。

再继续下去光敏元64的光生电荷移到输出端经二极管输出，同时光敏元63的电荷进入64，62进入63等等。

一直进行下去就在输出端G0依次得到光敏元64、63、62、…的电荷，经放大后就得到传输图像的电脉冲信号。

还可在输入端C1输入被转移的电荷或用以补偿转移损失的电荷。

光电二极管阵列
它的英文缩写为SSPD，是在最新的集成电路技术的基础上发展起来的。

SSPD也是制作在硅片上的，感光元件可采用光电二极管、光晶体管以及MOS 二极管。

SSPD也有线阵和面阵两种。

线阵通常为256～1048位。

相邻两位二极管的中心距为15～100微米。

驱动电路工作方式为电压取样模式和再充电取样模式，扫描速度达10兆赫。

图2是采用当前集成度最高的 MOS大规模集成电路制成的SSPD的示意图。

图中将光电二极管排列在水平和垂直两个方向上构成光敏元阵列。

MOS晶体管是扫描电路的开关管,它的双栅极
接成“与电路”（见电子逻辑元件），以便在控制信号到来时读出光电二极管的敏感信号。

SSPD的读出在垂直扫描电路控制下依行进行，并由水平扫描电路控制取出各行中每个光敏元的信号，这样就能在一条输出线上得到按行扫描的图像信号。

电荷耦合光电二极管阵列
它的英文缩写为CCPD。

CCPD以光电二极管作为光敏元并以电荷转移方式读出图像信号。

它兼有 CCD噪声低和SSPD响应一致性好的优点。

目前CCPD最大的线阵列达1728位，相邻两位中心距为16微米。

驱动电路工作方式为再充电脉冲模式及取样和保持方波列输出模式。

扫描速度为5兆赫。

电荷注入器件
它的英文缩写为CID。

在CCD的读出过程中电荷要经过多次转移,而CID 则采用完全不同的读出方式。

CID的每个敏感元实际上由一个MOS电容器构成。

除公共衬底外,还有两个电极。

一个电极接到按X方向排列的引线上,另一电极接到按Y方向排列的引线上。

电极电位不等于衬底电位时，电荷保持在电容器中。

两电极电位同时等于衬底电位时，电荷就被注入衬底。

光子在各敏感单元产生的电荷用X-Y寻址方式读出,当电荷从一个电极转移到另一电极时,可在它们注入衬底时探测,也可用非破坏性读出系统测出。

CID主要采用二维阵列形式，在工业中尚未广泛应用。

编辑本段应用
固体图像传感器可用于电视摄像、机器人视觉、图像识别、快速动态测量和信息存储等方面。

在航天器的姿态确定和控制系统中，固体图像传感器可用作星敏感器，实现航天器相对于遥远恒星方位姿态的精确测量。

在小零件的自动检测方面，经过适当的信息处理后，分辨率可达光敏元间距的1/10（微米量级），并可实现联机监测。

当零件关键尺寸与储存在检测系统中的数据相差过大时，系统能产生“失效”信号，并自动舍弃超差零件。

图3是采用固体传感器的钞票检查系统。

该系统采用两个二维光敏元阵列，使两列钞票分别通过其下,并在各自的光敏元阵列上成像,从而分别输出两列图像信号，经过比较器处理后，能发现它们的不同特征,证实缺陷的存在。

图4为防盗检测系统。

系统采用二维光敏阵列制作的照相机监视关键部位（例如门）。

现场用可见光或红外线照射，并用辅助电路计算被遮位的光敏元数目，从图像信息中能获得闯入者的性质，例如能分辨出鸟、猫或人。

还可用带有光学系统的线阵或面阵图像传感器制成光学字符识别系统。

这种系统能获得高达3000字／秒的分辨速度，能用于：①标准信件识别分选；②贴有价格标签的商品计价；③文字阅读机。

固态图像传感器[浏览次数：118次]
固态图像传感器是指在同一半导体衬底上布设的若干光敏单元与移位寄存器构成的集成化、功能化的光电器件。

光敏单元简称为“像素”或“像点”，它们本身在空间上、电气上是彼此独立的。

固态图像传感器利用光敏单元的光电转换功能将投射到光敏单元上的光学图像转换成电信号“图像”，即将光强的空间分布转换为与光强成比例的、大小不等的电荷包空间分布。

然后利用移位寄存器的功能将这些电荷包在时钟脉冲控制下实现读取与输出，形成一系列幅值不等的时序脉冲序列。

目录
•固态图像传感器的分类
•固态图像传感器的特性
•固态图像传感器的应用
•固态图像传感器的应用前景
固态图像传感器的分类
•从使用观点，可将固态图像分为线型和面型固态两类。

根据所用的敏感器件不同，又可分为CCD,MOS线型传感器以及CCD,MOS 面型传感器等线型固态图像传感器主要用于测试、传真和光学文字识别技术等方面，面型固态图像传感器的发展方向主要用作磁带录像的小型照相机。

固态图像传感器的特性
①.调制传递函数MTF 特性:固态图像传感器是由像素矩阵与相应转移部分组成的。

固态的像素尽管己做得很小，并且其间隔也很微小，但是，这仍然是识别微小图像或再现图像细微部分的主要障碍。

②.输出饱和特性:当饱和曝光量以上的强光像照射到图像传感器上时，传感器的输
出电压将出现饱和，这种现象称为输出饱和特性。

产生输出饱和现象的根本原因
是光敏二极管或MOS电容器仅能产生与积蓄一定极限的光生信号电荷所致。

③.暗输出特性:暗输出又称无照输出，系指无光像信号照射时，传感器仍有微
小输出的特性，输出来源于暗〔无照)电流。

④.灵敏度:单位辐射照度产生的输出光电流表示固态图象传感器的灵敏度，它
主要与固态图像传感器的像元大小有关。

⑥.弥散:饱和曝光量以上的过亮光像会在象素内产生与积蓄起过饱和信号电
荷，这时，过饱和电荷便会从一个像素的势阱经过衬底扩散到相邻像素的势阱。

这样，再生图像上不应该呈现某种亮度的地方反而呈现出亮度，这种情况称为弥散现象。

⑥.残像:对某像素扫描并读出其信号电荷之后，下一次扫描后读出信号仍受上
次遗留信号电荷影响的现象叫残像。

⑦.等效噪声曝光量:产生与暗输出(电压)等值时的曝光量称为传感器的等效噪
声曝光量。

固态图像传感器的应用
•1、自动测量因为固态图像传感器所感知的光像之光强，是被测对象与背景光强之差。

因此，就具体测量技术而言，测量精度与两者比较基准值的选定有关，并取决于传感器像素数与透镜视场的比值。

为提高测量精度应当选用像素多的传感
器并且应当尽量缩短视场。

2、图像识别
(1)传真技术用线型固态图像传感器作传真装置的输入环节，与通常用的机械
扫描或电管式的相比，有许多优点，如机械转动部分少、可靠性好、速度快、而且体积小、重量轻。

(2)光学文字识别装置固态图像传感器还可用作光学文字识别装置的“读取
头”。

光学文字识别装置(OCR)的光源可用卤素灯。

光源与透镜间设置红外滤光片以消除红外光影响。

每次扫描时间为300Ns，因此，可作到高速文字识别。

3、在线检查、识别与控制CCD 光电传感器的光电检测能力与微处理器〔NP)
的信号处理能力结合起来便能大大扩展CCD 的应用前景，例如用来对在线零件的图形检查与识别，从而提高了生产自动化的水平和产品质量。

固态图像传感器的应用前景
•由于固态图像传感器是一种高精度的，其应用已渗透到工业生产的各部门，尤其在精细加工、机器人技术、工业自动化领域中有着广泛的应用，为我国国民经济发展起了重大作用。

相信随着固态图像传感器制作技术的提高及图像处理软件的进一步发展，固态图像传感器的应用前景将更为广阔
CMOS图像传感器浏览1172次
CMOS图像传感器是一种典型的固体成像传感器，与CCD有着共同的历史渊源。

CMOS图像传感器通常由像敏单元阵列、行驱动器、列驱动器、时序控制逻辑、AD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。

其工作过程一般可分为复位、光电转换、积分、读出几部分。

在CMOS图像传感器芯片上还可以集成其他数字信号处理电路，如AD转换器、自动曝光量控制、非均匀补偿、白平衡处理、黑电平控制、伽玛校正等，为了进行快速计算甚至可以将具有可编程功能的DSP器件与CMOS器件集成在一起，从而组成单片数字相机及图像处理系统。

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。

1995年低噪声的CMOS有源像素传感器单片数字相机获得成功。

CMOS图像传感器具有以下几个优点：1）、随机窗口读取能力。

随机窗口读取操作是CMOS图像传感器在功能上优于CCD的一个方面，也称之为感兴趣区域选取。

此外，CMOS图像传感器的高集成特性使其很容易实现同时开多个跟踪窗口的功能。

2）、抗辐射能力。

总的来说，CMOS图像传感器潜在的抗辐射性能相对于CCD性能有重要增强。

3）、系统复杂程度和可靠性。

采用CMOS图像传感器可以大大地简化系统硬件结构。

4）、非破坏性数据读出方式。

5）、优化的曝光控制。

值得注意的是，由于在像元结构中集成了多个功能晶体管的原因，CMOS图像传感器也存在着若干缺点，主要是噪声和填充率两个指标。

鉴于CMOS图像传感器相对优越的性能，使得CMOS图像传感器在各个领域得到了广泛的应用。

CMOS线阵图像传感器DLIS-2K
－－－世界上最快的单端口重新配置的线性图像传感器
测量范围：200nm~1100nm
输出信号：数字型
DLIS-2K线阵图像传感器包括4行像素，每行有2081个光学像素和16黑像素。

其中3行为4 x 4 micron 方形像素，另一行为4x32 micron长方形像素。

通过运用Correlated Multi-Sampling (CMS)方法，其等效。