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在本文中，您將學習CMOS圖像傳感器的基礎知識，包括其核心組件，其框圖，優缺點以及其應用。

圖像傳感器是數字成像系統中的主要組成部分之一，并且強烈影響整個系統的性能。圖像傳感器的兩種主要類型是電荷耦合器件（CCD）和CMOS成像器。在本文中，我們將介紹CMOS圖像傳感器的基礎知識。

查看我們關于電荷耦合器件（CCD）圖像傳感器的系列。您可以從CCD的結構和功能開始。

CMOS光電檢測器

大多數CMOS光電檢測器基于PN結光電二極管的操作。當光電二極管反向偏置（且反向電壓小于雪崩擊穿電壓）時，與入射光強度成正比的電流分量將流過二極管。該電流分量通常被稱為光電流。

由于光電流隨光強度線性增加，因此我們可以使用光電二極管來構建光檢測器。這種光檢測結構的抽象表示如下。

（a）光電探測器的示意圖（b）光電流值的變化與時間的關系。圖片由Abbas El Gamal提供。

重置開關在曝光周期開始時閉合，以將光電二極管反向偏置到VD電壓。接下來，開關斷開，并產生與入射光強度成比例的光電流。該電流在毫微微安至皮安安的范圍內，并且太小而無法直接測量。如果我們讓光電二極管在設定的時間段內（色調）曝光，則電流將在二極管電容CD上積分。所存儲的電荷為我們提供了更容易測量的更強的累積信號。此外，合并的平均過程使累積的信號更真實地表示所測量的光強度，尤其是在處理微弱或嘈雜的信號時。

請注意，阱容量Qwell設置CD可以容納的電荷量的上限。超過一定的光強度時，二極管將飽和，并且累積電荷將等于上圖所示的最大值。因此，必須仔細選擇整合期。 

應該考慮的另一個非理想效應是，除了光電流之外，還有另一個電流分量稱為暗電流流過二極管。暗電流是在沒有光的情況下產生的電流。必須使該電流分量最小化，以使器件靈敏度最大化。

CMOS圖像傳感器的框圖

CMOS圖像傳感器的基本結構如下所示。

圖片由Edmund Optics提供。

光電探測器的二維陣列用于感測入射光強度。光電探測器產生的電荷被轉換為電壓信號，并通過“行選擇”和“列選擇”開關陣列傳遞到輸出放大器。ADC用于數字化放大后的信號。

為了執行讀出，將給定行的像素值并行地傳送到一組存儲電容器（未在上面示出），然后，順序地讀出這些傳送的像素值。

上圖顯示了APS（有源像素傳感器）架構。在APS設備中，每個像素位置不僅包含光電二極管，而且包含放大器。一種稱為PPS（無源像素傳感器）的更簡單的體系結構沒有將放大器集成到像素中。在DPS（數字像素傳感器）設備中，每個像素都有自己的模數轉換器和存儲塊。因此，DPS體系結構中的像素輸出與光強度成比例的數字值。

DPS或示意圖像素傳感器的示意圖。圖片由Abbas El Gamal提供。

CMOS圖像傳感器的優缺點

顧名思義，CMOS圖像傳感器采用標準的CMOS技術制造。這是一個主要優點，因為它使我們能夠將傳感器與成像系統所需的其他模擬和數字電路集成在一起。集成解決方案使我們能夠降低功耗并提高讀出速度。對于其他基于電荷轉移和成像優化的專用制造技術的圖像傳感器技術（例如電荷耦合器件（CCD））則不是這種情況。    

CMOS圖像傳感器的一個缺點是，讀出路徑中有多個有源設備會產生隨時間變化的噪聲。此外，制造上的不一致會導致不同像素的電荷-電壓放大器之間的失配。這將導致固定模式的噪聲，即使將不同的像素暴露在均勻的照明下，它們也會產生不同的值。

卷簾式文物

對于許多CMOS圖像傳感器，不同像素行的曝光周期在稍微不同的時間開始。通常，從上到下依次重置行。給定行的積分時間過去后，應開始讀取。因此，光積分與復位過程一樣，從上到下依次發生。捕獲快速移動的物體時，這可能會導致一種稱為滾動快門偽影的失真。這是由于以下事實：在捕獲所有像素時，具有快速移動物體的場景可能會發生變化。卷簾式偽影在拍攝的場景中表現為某些非剛性或彎曲。下圖對此進行了說明。

圖片由安森美半導體提供。

現代高端CMOS傳感器具有更快的讀出速度，可以更輕松地避免這種不理想的影響。此外，還有帶有全局快門的CMOS圖像傳感器，其中所有像素的重置和曝光周期都同時發生。在積分時間結束時，將不同像素的累積電荷同時傳輸到存儲區域以進行進一步處理。由于所有像素的曝光周期都同時發生，因此不會產生滾動快門效果。 

結論

反向偏置的光電二極管產生的電流分量與入射光強度成正比。這些光電探測器的二維陣列可用于實現CMOS圖像傳感器。CMOS圖像傳感器中的像素可能具有不同的復雜度。例如，CMOS圖像傳感器的像素不僅可以包含光電二極管，而且可以包含放大器。DPS（數字像素傳感器）設備使用更復雜的像素，其中每個像素都有自己的模數轉換器和存儲塊。

CMOS圖像傳感器的最重要優點是可以將傳感器與成像系統所需的其他模擬和數字電路集成在一起。可能會降低CMOS圖像傳感器性能的兩個噪聲源是不同像素組件之間的制造不匹配以及讀出路徑中有源器件產生的噪聲。