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)位開關(guān)在曝光周期開始時(shí)閉合，以將光電二極管反向偏置到電壓 VD。接下來，開關(guān)打開并產(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二極管。暗電流是在沒有光的情況下產(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“行選擇”和“列選擇”開關(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)間過去后，它的讀數(shù)應(yīng)該開始。因此，光積分從上到下依次發(fā)生，就像復(fù)位過程一樣。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�？赡軙�(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自讀出路徑中的有源器件的噪聲。