cmos图像传感器市场应用趋势及工作原理解(jie)析-深度剖(pou)析cmos图像传感器-KIA MOS管
信息来源：本站 日期：2018-11-13
在(zai)cmos图(tu)(tu)像传(chuan)感器(qi)芯片上还可(ke)以集成其他(ta)数(shu)(shu)字信号处理(li)(li)电路(lu)，如AD转换器(qi)、自(zi)动曝光量控(kong)制、非均匀补偿、白平衡(heng)处理(li)(li)、黑电平控(kong)制、伽玛(ma)校正等(deng)，为了(le)进行快速计(ji)算甚至可(ke)以将具有可(ke)编程功(gong)能(neng)的DSP器(qi)件(jian)(jian)与CMOS器(qi)件(jian)(jian)集成在(zai)一起，从(cong)而组(zu)成单片数(shu)(shu)字相(xiang)机及(ji)图(tu)(tu)像处理(li)(li)系统。
1963年(nian)Morrison发表了可(ke)计算(suan)传(chuan)(chuan)感器，这是一种可(ke)以利用光(guang)导(dao)效应测定光(guang)斑位(wei)置的结构，成(cheng)(cheng)为(wei)CMOS图像传(chuan)(chuan)感器发展(zhan)的开(kai)端。1995年(nian)低(di)噪声的CMOS有源像素传(chuan)(chuan)感器单片数字相机获得(de)成(cheng)(cheng)功。cmos图像传感(gan)器(qi)具有(you)以(yi)下(xia)几个优点：
1）、随机窗口读(du)取(qu)能(neng)力。随机窗口读(du)取(qu)操作是cmos图像传(chuan)(chuan)感器在(zai)功能(neng)上优于CCD的一个方面，也称之为感兴趣区域(yu)选取(qu)。此外(wai)，CMOS图像传(chuan)(chuan)感器的高集成(cheng)特(te)性使(shi)其很容易实现同时开多个跟踪窗口的功能(neng)。
2）、抗(kang)辐(fu)射能力。总的来说，cmos图(tu)像传感器潜在的抗(kang)辐(fu)射性能相(xiang)对于CCD性能有重要增强。
3）、系(xi)统复(fu)杂(za)程度和可靠性。采用(yong)CMOS图像传感器可以大(da)大(da)地简化系(xi)统硬件结构。
4）、非破坏性数(shu)据(ju)读出(chu)方式。
5）、优(you)化的(de)曝光控(kong)制。值得注意的(de)是，由于在像(xiang)元结构中集成了多(duo)个(ge)功(gong)能(neng)晶体(ti)管的(de)原(yuan)因，cmos图像(xiang)传感(gan)器(qi)也存在着(zhe)若(ruo)干缺点，主要(yao)是噪声和填充率(lv)两个(ge)指标(biao)。鉴于cmos图像(xiang)传感(gan)器(qi)相对优(you)越(yue)的(de)性(xing)能(neng)，使得CMOS图像(xiang)传感(gan)器(qi)在各个(ge)领(ling)域得到(dao)了广泛的(de)应用。
美国高清(qing)高速cmos图(tu)像传(chuan)感器
DYNAMAX-11：潘(pan)纳维(wei)申影(ying)像(xiang)(xiang)(xiang)这(zhei)颗(ke)新的传(chuan)感器含(han)有的全局电子曝光快门(men)技术，极大地改善了工业成像(xiang)(xiang)(xiang)在(zai)室(shi)内和(he)室(shi)外的应用(yong)。这(zhei)颗(ke)新发布的DYNAMAX-11图像(xiang)(xiang)(xiang)传(chuan)感器适合(he)用(yong)于机器视(shi)(shi)觉、安防监控(kong)、智能交通、生(sheng)命科学、生(sheng)物医疗、科学影(ying)像(xiang)(xiang)(xiang)、高清录(lu)像(xiang)(xiang)(xiang)、电视(shi)(shi)广播等(deng)工业成像(xiang)(xiang)(xiang)领(ling)域。这(zhei)颗(ke)新发布的DYNAMAX-11图像(xiang)(xiang)(xiang)传(chuan)感器含(han)有320万像(xiang)(xiang)(xiang)素，像(xiang)(xiang)(xiang)素大小为5.0?m × 5.0?m。DYNAMAX-11具有以(yi)下一些特(te)点(dian)：
1：高灵敏度，低噪声(sheng)。DYNAMAX-11在卷(juan)帘曝光(guang)(guang)的(de)模式下(xia)，可以实现(xian)小于4 electrons rms噪声(sheng)，在全局曝光(guang)(guang)的(de)模式下(xia)，可以实现(xian)小于8 electrons rms噪声(sheng)。
2：宽的光(guang)(guang)谱响(xiang)应范(fan)围，覆(fu)盖从可见光(guang)(guang)到红外。
3： DYNAMAX-11具有快速的(de)输出能(neng)力，可以达到全尺寸3.2M输出时(shi)，60帧(zhen)/秒，和HDTV1920*1080输出时(shi)，72帧(zhen)/秒的(de)输出速度。
4：高动态模(mo)式(shi)下的动态范(fan)围可达(da)120分贝.
DYNAMAX-11采用(yong)了(le)CLCC封装，非常便于客户的(de)(de)安装焊接和(he)结构(gou)设计(ji)。DYNAMAX-11 适(shi)合3/4英寸的(de)(de)光学(xue)尺寸。同(tong)时，DYNAMAX-11对(dui)应高清电(dian)视格式(shi)(shi)要求(HDTV,1080i,16:9)，也设计(ji)了(le)感(gan)兴趣区域(yu)的(de)(de)2/3英寸的(de)(de)200万像(xiang)素(su)光学(xue)格式(shi)(shi)（对(dui)角线(xian)11毫米）。
DYNAMAX-11彩色和黑白(bai)两种芯片(pian)的(de)样片(pian)正(zheng)提供给PVI的(de)客(ke)户．
cmos图像(xiang)传感(gan)器始于(yu)“拍照和录像(xiang)应用”，盛行于(yu)“移动市场(chang)”，最(zui)近几年，又(you)受(shou)到高(gao)附加值(zhi)下游市场(chang)的驱动。那么，未来哪些将(jiang)成为cmos图像(xiang)传感(gan)器的高(gao)增长(zhang)领域呢？消费类、无人(ren)机、机器人(ren)还是VR?
cmos图(tu)(tu)像(xiang)(xiang)传感(gan)器(qi)具有体(ti)积(ji)小、功耗低等优(you)势，在(zai)cmos图(tu)(tu)像(xiang)(xiang)传感(gan)器(qi)领(ling)域(yu)占有率达到90%。随着背照式(shi)和堆栈式(shi)技术等新(xin)型CMOS图(tu)(tu)像(xiang)(xiang)传感(gan)器(qi)技术的进步，以及双摄像(xiang)(xiang)头、3D摄像(xiang)(xiang)头陆续出现并成(cheng)为智(zhi)能手机(ji)的新(xin)卖(mai)点(dian)。再加上汽车、无人机(ji)、VR以及AR技术等新(xin)兴(xing)市场的推动(dong)，cmos图(tu)(tu)像(xiang)(xiang)传感(gan)器(qi)正迎(ying)来新(xin)一轮的产(chan)业成(cheng)长(zhang)高(gao)峰。
1、消费市场依然占据主导地位
众所(suo)周(zhou)知，移动(dong)端一直是(shi)cmos图像(xiang)传感(gan)器重要的(de)市场。据预测，未(wei)来智(zhi)能手机中将广泛(fan)采用(yong)双(shuang)摄像(xiang)头和3D摄像(xiang)头，随着这两种应用(yong)的(de)普及，CMOS无疑将迎来新一轮的(de)爆(bao)发。同时这将驱动(dong)着cmos图像(xiang)传感(gan)器产业发生变化，从(cong)成(cheng)像(xiang)质(zhi)量到人机交互(hu)，这是(shi)一个从(cong)成(cheng)像(xiang)到传感(gan)和用(yong)户(hu)界(jie)面的(de)大转(zhuan)变。
2、汽车是增长最快的细分市场
汽车电(dian)子(zi)是cmos图(tu)像传(chuan)感器增长最快的细分市场(chang)，2015年全球(qiu)销售额为4.8亿美元(yuan)，占CMOS市场(chang)的4.8%，预计2020年销售额可(ke)达18亿美元(yuan)，市场(chang)占比(bi)将达到11%。
ADAS系统的不断进(jin)步使得汽车(che)(che)(che)上需要搭载后视、前视、环(huan)绕视CMOS摄像(xiang)(xiang)头(tou)，以直(zhi)接获取周围环(huan)境的图像(xiang)(xiang)信(xin)息，实现前向(xiang)碰撞预警、车(che)(che)(che)道(dao)偏离警示、自(zi)动泊车(che)(che)(che)、路(lu)况记录、车(che)(che)(che)辆(liang)/行人/障碍(ai)物(wu)识(shi)别、车(che)(che)(che)内(nei)环(huan)境监控(kong)等功能。目(mu)前高端汽车(che)(che)(che)ADAS系统包含5-8个摄像(xiang)(xiang)头(tou)，未(wei)来随着无人驾驶技术的发展，汽车(che)(che)(che)搭载的CMOS传感(gan)器数量有望超过10个。
3、医疗应用需求涌现
传(chuan)统的(de)电荷耦合设(she)备(bei)（CCD）图(tu)像传(chuan)感(gan)器(qi)技术已不能(neng)(neng)满足医疗(liao)图(tu)像抓(zhua)(zhua)取应(ying)用的(de)需要(yao)。cmos图(tu)像传(chuan)感(gan)器(qi)凭借其六大(da)优(you)(you)势席卷医疗(liao)电子应(ying)用，主要(yao)优(you)(you)势包(bao)括：系统集成度(du)(du)更高、动(dong)力要(yao)求较低(di)、图(tu)像抓(zhua)(zhua)取功能(neng)(neng)更为灵活、界(jie)面(mian)智能(neng)(neng)化程度(du)(du)更高、动(dong)态范围更大(da)、感(gan)光度(du)(du)更高。一些常用的(de)医疗(liao)器(qi)械如医疗(liao)内(nei)窥镜均因为cmos图(tu)像传(chuan)感(gan)器(qi)使得性能(neng)(neng)有大(da)幅(fu)度(du)(du)提(ti)升。
ams的cmos图(tu)像传感器(qi)已经在以上这些领域广(guang)泛(fan)应(ying)用，ams CEO Alexander Everke就曾预测其他细分市场(chang)未(wei)来也(ye)有广(guang)阔的应(ying)用空间：“未(wei)来cmos图(tu)像传感器(qi)将在3D建(jian)模、AR/VR、手势、脸部识(shi)别(bie)、3D扫描和游戏六大领域爆发(fa)。”
下游需(xu)求(qiu)旺盛，产(chan)业竞争(zheng)激烈(lie)，在cmos图像传感(gan)器界占有重要地位的ams以一系列高性能(neng)的产(chan)品组合，并不断致力(li)于技(ji)术创新的战略来面对。
4、面型图像传感器
包含(han)CMV、CHR系列产品(pin)，广泛(fan)应用于(yu)工业视觉、科学研究、航(hang)天军事及医疗仪器相关领域。
5、线型图像传感器
包含Orion Line Scan、Dragster Line Scan及(ji)4LS Line Scan三大系(xi)列(lie)产(chan)品(pin)，广(guang)泛应用于(yu)工业(ye)视觉及(ji)医(yi)疗仪器相(xiang)关产(chan)业(ye)。
6、微缩模块
Naneye系列产品，可(ke)应(ying)用于医(yi)疗仪器和监控检测相关产业(ye)。
下图为cmos图像传感(gan)器(qi)的功能框图。
首先，外(wai)界(jie)光照射像(xiang)(xiang)素(su)(su)阵(zhen)(zhen)列(lie)，发(fa)生(sheng)光电(dian)效应，在像(xiang)(xiang)素(su)(su)单(dan)(dan)元(yuan)内(nei)产生(sheng)相应的(de)电(dian)荷(he)。行(xing)(xing)选(xuan)择逻(luo)辑单(dan)(dan)元(yuan)根据需要，选(xuan)通相应的(de)行(xing)(xing)像(xiang)(xiang)素(su)(su)单(dan)(dan)元(yuan)。行(xing)(xing)像(xiang)(xiang)素(su)(su)单(dan)(dan)元(yuan)内(nei)的(de)图(tu)像(xiang)(xiang)信(xin)(xin)(xin)(xin)号通过(guo)各(ge)自(zi)所在列(lie)的(de)信(xin)(xin)(xin)(xin)号总线传(chuan)输(shu)到对(dui)应的(de)模拟信(xin)(xin)(xin)(xin)号处理(li)(li)单(dan)(dan)元(yuan)以(yi)及A/D转换器，转换成(cheng)数字图(tu)像(xiang)(xiang)信(xin)(xin)(xin)(xin)号输(shu)出。其中的(de)行(xing)(xing)选(xuan)择逻(luo)辑单(dan)(dan)元(yuan)可(ke)(ke)(ke)以(yi)对(dui)像(xiang)(xiang)素(su)(su)阵(zhen)(zhen)列(lie)逐行(xing)(xing)扫(sao)描(miao)也可(ke)(ke)(ke)隔(ge)行(xing)(xing)扫(sao)描(miao)。行(xing)(xing)选(xuan)择逻(luo)辑单(dan)(dan)元(yuan)与列(lie)选(xuan)择逻(luo)辑单(dan)(dan)元(yuan)配合(he)使(shi)用可(ke)(ke)(ke)以(yi)实现图(tu)像(xiang)(xiang)的(de)窗口提取功(gong)能。模拟信(xin)(xin)(xin)(xin)号处理(li)(li)单(dan)(dan)元(yuan)的(de)主(zhu)要功(gong)能是对(dui)信(xin)(xin)(xin)(xin)号进行(xing)(xing)放大处理(li)(li)，并且提高信(xin)(xin)(xin)(xin)噪比。另外(wai)，为了(le)获(huo)得质(zhi)量合(he)格的(de)实用摄像(xiang)(xiang)头，芯片中必(bi)须(xu)包含各(ge)种控(kong)制电(dian)路，如(ru)曝光时(shi)(shi)间控(kong)制、自(zi)动(dong)增益(yi)控(kong)制等。为了(le)使(shi)芯片中各(ge)部分电(dian)路按规定的(de)节拍动(dong)作(zuo)，必(bi)须(xu)使(shi)用多个(ge)时(shi)(shi)序控(kong)制信(xin)(xin)(xin)(xin)号。为了(le)便于摄像(xiang)(xiang)头的(de)应用，还要求该芯片能输(shu)出一些时(shi)(shi)序信(xin)(xin)(xin)(xin)号，如(ru)同步信(xin)(xin)(xin)(xin)号、行(xing)(xing)起始信(xin)(xin)(xin)(xin)号、场起始信(xin)(xin)(xin)(xin)号等。
从某(mou)一(yi)(yi)方面来说，cmos图(tu)像(xiang)(xiang)(xiang)传感(gan)器在(zai)每个(ge)像(xiang)(xiang)(xiang)素(su)位置内(nei)都有(you)一(yi)(yi)个(ge)放(fang)大器，这就使其能在(zai)很(hen)低(di)的带宽情况下把离(li)散(san)的电(dian)荷信号包(bao)转换成电(dian)压输出，而(er)且(qie)也(ye)仅需(xu)要在(zai)帧速率(lv)下进行重置。cmos图(tu)像(xiang)(xiang)(xiang)传感(gan)器的优点之一(yi)(yi)就是它具有(you)低(di)的带宽，并增加了信噪比。由于(yu)制造工艺的限(xian)制，早(zao)先(xian)的CMOS图(tu)像(xiang)(xiang)(xiang)传感(gan)器无法将(jiang)放(fang)大器放(fang)在(zai)像(xiang)(xiang)(xiang)素(su)位置以内(nei)。这种(zhong)被称为PPS的技术，噪声性能很(hen)不(bu)理想，而(er)且(qie)还引来对cmos图(tu)像(xiang)(xiang)(xiang)传感(gan)器的种(zhong)种(zhong)干扰。
然(ran)而今天(tian)，随(sui)着制作工(gong)艺的(de)(de)(de)(de)(de)提高，使(shi)在像(xiang)素(su)内(nei)部增(zeng)加(jia)复杂功能(neng)的(de)(de)(de)(de)(de)想(xiang)法成为可能(neng)。现在，在像(xiang)素(su)位置(zhi)以内(nei)已经能(neng)增(zeng)加(jia)诸如电(dian)(dian)子(zi)开关、互阻抗(kang)放大器(qi)和用来降(jiang)低固定(ding)图形噪声的(de)(de)(de)(de)(de)相关双(shuang)采样保(bao)持电(dian)(dian)路(lu)以及(ji)消(xiao)除(chu)噪声等(deng)多种附(fu)加(jia)功能(neng)。实际(ji)上，在Conexant公司(si)（前Rockwell半导体(ti)公司(si)）的(de)(de)(de)(de)(de)一(yi)台先进的(de)(de)(de)(de)(de)CMOS摄像(xiang)机所用的(de)(de)(de)(de)(de)cmos图像(xiang)传感器(qi)上，每(mei)一(yi)个(ge)像(xiang)素(su)中都(dou)(dou)(dou)设计并(bing)使(shi)用了(le)6个(ge)晶(jing)体(ti)管(guan)，测试到(dao)的(de)(de)(de)(de)(de)读出噪声只有1均方(fang)根电(dian)(dian)子(zi)。不过(guo)，随(sui)着像(xiang)素(su)内(nei)电(dian)(dian)路(lu)数(shu)(shu)量的(de)(de)(de)(de)(de)不断增(zeng)加(jia)，留给感光(guang)(guang)二极管(guan)的(de)(de)(de)(de)(de)空(kong)间逐(zhu)渐减少，为了(le)避免这个(ge)比例（又称占(zhan)空(kong)因数(shu)(shu)或填充系数(shu)(shu)）的(de)(de)(de)(de)(de)下降(jiang)，一(yi)般(ban)都(dou)(dou)(dou)使(shi)用微透镜(jing)，这是因为每(mei)个(ge)像(xiang)素(su)位置(zhi)上的(de)(de)(de)(de)(de)微小(xiao)透镜(jing)都(dou)(dou)(dou)能(neng)改变(bian)入射光(guang)(guang)线(xian)的(de)(de)(de)(de)(de)方(fang)向，使(shi)得本来会落(luo)到(dao)连(lian)接点(dian)或晶(jing)体(ti)管(guan)上的(de)(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)线(xian)重回到(dao)对光(guang)(guang)敏感的(de)(de)(de)(de)(de)二极管(guan)区域。
因为(wei)电荷被(bei)限制在(zai)像(xiang)素(su)以内，所(suo)以CMOS图像(xiang)传(chuan)感(gan)器(qi)(qi)的(de)(de)(de)(de)另一个固(gu)有的(de)(de)(de)(de)优点就是它的(de)(de)(de)(de)防(fang)光(guang)晕特性(xing)。在(zai)像(xiang)素(su)位置内产(chan)生的(de)(de)(de)(de)电压先是被(bei)切换到(dao)一个纵(zong)列的(de)(de)(de)(de)缓冲区内，然后再被(bei)传(chuan)输到(dao)输出放大器(qi)(qi)中(zhong)，因此不会发生传(chuan)输过程中(zhong)的(de)(de)(de)(de)电荷损耗以及(ji)随(sui)后产(chan)生的(de)(de)(de)(de)光(guang)晕现象。它的(de)(de)(de)(de)不利因素(su)是每个像(xiang)素(su)中(zhong)放大器(qi)(qi)的(de)(de)(de)(de)阈值电压都有细小的(de)(de)(de)(de)差(cha)别，这(zhei)种(zhong)不均匀性(xing)就会引(yin)起固(gu)定图像(xiang)噪声。然而，随(sui)着CMOS图像(xiang)传(chuan)感(gan)器(qi)(qi)的(de)(de)(de)(de)结构设计和制造工艺的(de)(de)(de)(de)不断改(gai)进，这(zhei)种(zhong)效(xiao)应已(yi)经得到(dao)显著弱化。
这种多功能的(de)集成化，使得(de)许多以前无法应用图像技术(shu)的(de)地方现在(zai)也变(bian)得(de)可行了，如(ru)孩子的(de)玩具，更(geng)加分(fen)散(san)的(de)保安摄像机、嵌入在(zai)显示器和(he)膝(xi)上(shang)(shang)型(xing)计算机显示器中(zhong)的(de)摄像机、带(dai)相机的(de)移(yi)动电路、指纹识(shi)别系统、甚(shen)至于医学图像上(shang)(shang)所使用的(de)一次性(xing)照相机等，这些都(dou)已在(zai)某(mou)些设(she)计者的(de)考虑(lv)之中(zhong)。
下(xia)图所示的是CMOS像敏元(yuan)阵列结构，它由水平移位寄存器、垂直移位寄存器和CMOS像敏元(yuan)阵列组成。
（1一(yi)(yi)垂(chui)直(zhi)移位寄存(cun)器：2一(yi)(yi)水(shui)平移位寄存(cun)器；3一(yi)(yi)水(shui)平扫描开关(guan)；4一(yi)(yi)垂(chui)直(zhi)扫描开关(guan)；5一(yi)(yi)像敏元阵(zhen)列；6一(yi)(yi)信(xin)号(hao)线(xian)；7一(yi)(yi)像敏元）
下图是CMOS摄像器件的原理(li)框图。
如前所(suo)述(shu)，各MOS晶(jing)体管在(zai)(zai)水(shui)平和垂(chui)(chui)直(zhi)(zhi)扫(sao)描电路的(de)(de)脉(mai)(mai)冲(chong)驱动下(xia)起开(kai)(kai)关(guan)作(zuo)(zuo)用(yong)(yong)(yong)(yong)。水(shui)平移位(wei)寄存器(qi)(qi)(qi)(qi)从左至(zhi)右顺(shun)(shun)次地接(jie)通(tong)起水(shui)平扫(sao)描作(zuo)(zuo)用(yong)(yong)(yong)(yong)的(de)(de)MOS晶(jing)体管，也就(jiu)是寻(xun)址列的(de)(de)作(zuo)(zuo)用(yong)(yong)(yong)(yong)，垂(chui)(chui)直(zhi)(zhi)移位(wei)寄存器(qi)(qi)(qi)(qi)顺(shun)(shun)次地寻(xun)址列阵的(de)(de)各行。每个像(xiang)(xiang)元由光(guang)敏二(er)(er)极(ji)管和起垂(chui)(chui)直(zhi)(zhi)开(kai)(kai)关(guan)作(zuo)(zuo)用(yong)(yong)(yong)(yong)的(de)(de)MOS晶(jing)体管组成(cheng)，在(zai)(zai)水(shui)平移位(wei)寄存器(qi)(qi)(qi)(qi)产(chan)生(sheng)的(de)(de)脉(mai)(mai)冲(chong)作(zuo)(zuo)用(yong)(yong)(yong)(yong)下(xia)顺(shun)(shun)次接(jie)通(tong)水(shui)平开(kai)(kai)关(guan)，在(zai)(zai)垂(chui)(chui)直(zhi)(zhi)移位(wei)寄存器(qi)(qi)(qi)(qi)产(chan)生(sheng)的(de)(de)脉(mai)(mai)冲(chong)作(zuo)(zuo)用(yong)(yong)(yong)(yong)下(xia)接(jie)通(tong)垂(chui)(chui)直(zhi)(zhi)开(kai)(kai)关(guan)，于(yu)(yu)是顺(shun)(shun)次给像(xiang)(xiang)元的(de)(de)光(guang)敏二(er)(er)极(ji)管加上参考(kao)电压(ya)(偏压(ya))。被光(guang)照(zhao)的(de)(de)二(er)(er)极(ji)管产(chan)生(sheng)载流(liu)子(zi)使结电容放电，这就(jiu)是积分期间信(xin)号(hao)(hao)(hao)的(de)(de)积累过程。而上述(shu)接(jie)通(tong)偏压(ya)的(de)(de)过程同(tong)时也是信(xin)号(hao)(hao)(hao)读(du)出过程。在(zai)(zai)负(fu)载上形成(cheng)的(de)(de)视频(pin)信(xin)号(hao)(hao)(hao)大小(xiao)正比于(yu)(yu)该像(xiang)(xiang)元上的(de)(de)光(guang)照(zhao)强(qiang)弱。
CCD型和CMOS型固态(tai)图像(xiang)传(chuan)感(gan)器(qi)在光检测方面都(dou)利(li)用(yong)了硅的光电(dian)效应原理，不(bu)同点在于像(xiang)素(su)光生电(dian)荷的读出方式。典型的CMOS像(xiang)素(su)阵列(lie)，是(shi)一(yi)个(ge)二维可编(bian)址传(chuan)感(gan)器(qi)阵列(lie)。传(chuan)感(gan)器(qi)的每(mei)一(yi)列(lie)与一(yi)个(ge)位(wei)线(xian)相连，行(xing)(xing)允许线(xian)允许所选(xuan)择的行(xing)(xing)内每(mei)一(yi)个(ge)敏感(gan)单(dan)元(yuan)输出信号送入它所对应的位(wei)线(xian)上，位(wei)线(xian)末端是(shi)多路选(xuan)择器(qi)，按照各列(lie)独立的列(lie)编(bian)址进行(xing)(xing)选(xuan)择。
根(gen)据(ju)像(xiang)素(su)(su)的不同结构(gou)，cmos图像(xiang)传(chuan)感(gan)(gan)器可以分为无源像(xiang)素(su)(su)被动式传(chuan)感(gan)(gan)器（PPS）和(he)有源像(xiang)素(su)(su)主动式传(chuan)感(gan)(gan)器（APS）。根(gen)据(ju)光(guang)生电荷的不同产(chan)生方式APS又(you)分为光(guang)敏二(er)极管型(xing)、光(guang)栅型(xing)和(he)对数响(xiang)应型(xing)，现在又(you)提出了DPS(digital pixel sensor)概念(nian)。
1、无源像素被动式传感器
PPS出现得(de)最(zui)早(zao)，结(jie)构(gou)也最(zui)简单(dan)，使得(de)cmos图(tu)像(xiang)(xiang)传感(gan)器走向实用(yong)化，其结(jie)构(gou)原理如图(tu)3所示。每一个(ge)像(xiang)(xiang)素(su)包(bao)含一个(ge)光敏(min)二极(ji)管和一个(ge)开关管TX。当TX选通(tong)时，光敏(min)二极(ji)管中由于光照(zhao)产(chan)(chan)生的电(dian)荷传送到了(le)列线(xian)(xian)col,列线(xian)(xian)下(xia)端的积分放大器将该信号转化为(wei)电(dian)压输出，光敏(min)二极(ji)管中产(chan)(chan)生的电(dian)荷与光信号成一定的比例关系。无源像(xiang)(xiang)素(su)具有(you)单(dan)元结(jie)构(gou)简单(dan)、寻(xun)址简单(dan)、填充系数高(gao)、量子效率高(gao)等优点，但它(ta)灵敏(min)度低、读出噪声大。因此PPS不利于向大型阵列发展，所以限制了(le)应用(yong)，很(hen)快被APS代替(ti)
2、光敏二极管像素单元
光(guang)(guang)敏二极(ji)(ji)管(guan)(guan)(guan)像素单(dan)元是(shi)由(you)光(guang)(guang)敏二极(ji)(ji)管(guan)(guan)(guan)，复(fu)位(wei)管(guan)(guan)(guan)，源跟随(sui)和(he)(he)(he)行选通开关(guan)管(guan)(guan)(guan)组成，此外(wai)还有(you)电(dian)荷溢出(chu)门管(guan)(guan)(guan)M3，M3的(de)(de)(de)(de)(de)(de)作(zuo)用(yong)是(shi)增加电(dian)路的(de)(de)(de)(de)(de)(de)灵敏度，用(yong)一个较小的(de)(de)(de)(de)(de)(de)电(dian)容(rong)(rong)就(jiu)能够(gou)检测到(dao)整个光(guang)(guang)敏二极(ji)(ji)管(guan)(guan)(guan)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)n+扩(kuo)散区(qu)所(suo)产生(sheng)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)全部光(guang)(guang)生(sheng)电(dian)荷，它的(de)(de)(de)(de)(de)(de)栅(zha)极(ji)(ji)接约1V的(de)(de)(de)(de)(de)(de)恒定电(dian)压(ya)，在分(fen)析器(qi)(qi)件工作(zuo)原(yuan)理(li)时(shi)可(ke)(ke)以忽略将(jiang)其(qi)看成短路。电(dian)荷敏感扩(kuo)散电(dian)容(rong)(rong)用(yong)做收(shou)集光(guang)(guang)生(sheng)电(dian)荷。复(fu)位(wei)管(guan)(guan)(guan)M4对(dui)光(guang)(guang)敏二极(ji)(ji)管(guan)(guan)(guan)和(he)(he)(he)电(dian)容(rong)(rong)复(fu)位(wei)，同(tong)时(shi)作(zuo)为横向(xiang)溢出(chu)门控制光(guang)(guang)生(sheng)电(dian)荷的(de)(de)(de)(de)(de)(de)积累和(he)(he)(he)转(zhuan)移。源跟随(sui)器(qi)(qi)M1的(de)(de)(de)(de)(de)(de)作(zuo)用(yong)是(shi)实现对(dui)信(xin)号(hao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)放大和(he)(he)(he)缓冲，改善APS的(de)(de)(de)(de)(de)(de)噪声问题。源跟随(sui)器(qi)(qi)还可(ke)(ke)加快总(zong)线电(dian)容(rong)(rong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)充放电(dian)，因而允许总(zong)线长度增加和(he)(he)(he)像素规模增大。因此，APS比PPS具(ju)有(you)低读(du)出(chu)噪声和(he)(he)(he)高读(du)出(chu)速率等优点，但像素单(dan)元结构复(fu)杂，填充系数降低，填充系数一般只有(you)20%到(dao)30%。它的(de)(de)(de)(de)(de)(de)工作(zuo)过(guo)(guo)程(cheng)是(shi)：首先进入“复(fu)位(wei)状态”，复(fu)位(wei)管(guan)(guan)(guan)打(da)开，对(dui)光(guang)(guang)敏二极(ji)(ji)管(guan)(guan)(guan)复(fu)位(wei)；然(ran)后进入“取样状态”，复(fu)位(wei)管(guan)(guan)(guan)关(guan)闭，光(guang)(guang)照射到(dao)光(guang)(guang)敏二极(ji)(ji)管(guan)(guan)(guan)上产生(sheng)光(guang)(guang)生(sheng)载流子(zi)，并(bing)通过(guo)(guo)源跟随(sui)器(qi)(qi)放大输(shu)出(chu)；最(zui)后进入“读(du)出(chu)状态”，这(zhei)时(shi)行选通管(guan)(guan)(guan)打(da)开，信(xin)号(hao)通过(guo)(guo)列总(zong)线输(shu)出(chu)。
3、光栅型APS
光(guang)(guang)(guang)(guang)栅(zha)型APS是由美国喷气(qi)推(tui)进实验室（JPL）首先推(tui)出(chu)(chu)的(de)(de)。其中感光(guang)(guang)(guang)(guang)结构由光(guang)(guang)(guang)(guang)栅(zha)PG 和传(chuan)(chuan)输(shu)门(men)TX构成。光(guang)(guang)(guang)(guang)栅(zha)输(shu)出(chu)(chu)端为漂(piao)移扩散端，它与光(guang)(guang)(guang)(guang)栅(zha)PG被传(chuan)(chuan)输(shu)门(men)TX隔开(kai)(kai)。像(xiang)素单(dan)元(yuan)还(hai)包括一(yi)个复(fu)位晶体(ti)管(guan)(guan)(guan)，一(yi)个源(yuan)跟随器和一(yi)个行选(xuan)(xuan)通(tong)(tong)(tong)晶体(ti)管(guan)(guan)(guan)。当光(guang)(guang)(guang)(guang)照射在像(xiang)素单(dan)元(yuan)时，在光(guang)(guang)(guang)(guang)栅(zha)PG处产生(sheng)电(dian)荷；与此同时，复(fu)位管(guan)(guan)(guan)打开(kai)(kai)，对势(shi)(shi)阱复(fu)位；然后(hou)复(fu)位管(guan)(guan)(guan)关闭(bi)，行选(xuan)(xuan)通(tong)(tong)(tong)管(guan)(guan)(guan)打开(kai)(kai)，复(fu)位后(hou)的(de)(de)电(dian)信号(hao)由此通(tong)(tong)(tong)路被读出(chu)(chu)并暂存(cun)起(qi)来，之(zhi)后(hou)传(chuan)(chuan)输(shu)门(men)TX打开(kai)(kai)，光(guang)(guang)(guang)(guang)照产生(sheng)的(de)(de)电(dian)信号(hao)通(tong)(tong)(tong)过势(shi)(shi)阱并被读出(chu)(chu)，前后(hou)两次的(de)(de)信号(hao)差(cha)就(jiu)是真(zhen)正的(de)(de)图像(xiang)信号(hao)。
4、对数响应型CMOS-APS
对数(shu)响(xiang)应(ying)型CMOS-APS拥(yong)有很高的动态范围。它由(you)光敏二(er)极管(guan)、负载管(guan)、源跟随(sui)器和行选通管(guan)组(zu)成，负载管(guan)栅极是(shi)(shi)(shi)一(yi)(yi)恒定偏置电(dian)(dian)压(ya)(ya)（不一(yi)(yi)定要是(shi)(shi)(shi)电(dian)(dian)源电(dian)(dian)压(ya)(ya)），该像(xiang)素单元输出信号(hao)与入射光信号(hao)成对数(shu)关系，它的工作特点是(shi)(shi)(shi)光线被连续地转化为(wei)信号(hao)电(dian)(dian)压(ya)(ya)，而不像(xiang)一(yi)(yi)般(ban)APS那样(yang)存在复位和积分(fen)过程。但是(shi)(shi)(shi)，对数(shu)响(xiang)应(ying)型CMOS-APS的一(yi)(yi)个致命缺(que)陷就(jiu)是(shi)(shi)(shi)对器件(jian)参数(shu)相当敏感，特别是(shi)(shi)(shi)阈值电(dian)(dian)压(ya)(ya)。
PPS和APS都是在像(xiang)素(su)(su)外进行(xing)模/数(shu)（A/D）转换(huan)的，而(er)DPS将模/数(shu)（A/D）转换(huan)集成(cheng)在每一个(ge)像(xiang)素(su)(su)单元里(li)，每一个(ge)像(xiang)素(su)(su)单元输出的是数(shu)字(zi)信(xin)号，工作(zuo)速度更快，功耗更低。
1、传感器尺寸
cmos图像传(chuan)(chuan)感(gan)器的(de)尺(chi)寸(cun)(cun)越(yue)(yue)大(da)，则(ze)成(cheng)像系统的(de)尺(chi)寸(cun)(cun)越(yue)(yue)大(da)，捕(bu)获的(de)光(guang)子越(yue)(yue)多(duo)，感(gan)光(guang)性(xing)能越(yue)(yue)好，信(xin)噪(zao)比(bi)越(yue)(yue)低。目(mu)前，cmos图像传(chuan)(chuan)感(gan)器的(de)常见尺(chi)寸(cun)(cun)有(you)1英(ying)寸(cun)(cun)、2/3英(ying)寸(cun)(cun)、1/2英(ying)寸(cun)(cun)、1/3英(ying)寸(cun)(cun)、1/4英(ying)寸(cun)(cun)等。
2、像素总数和有效像素数
像(xiang)(xiang)(xiang)素(su)总(zong)(zong)数(shu)(shu)是(shi)指所有(you)像(xiang)(xiang)(xiang)素(su)的(de)总(zong)(zong)和，像(xiang)(xiang)(xiang)素(su)总(zong)(zong)数(shu)(shu)是(shi)衡量cmos图像(xiang)(xiang)(xiang)传感器(qi)的(de)主(zhu)要技术指标(biao)之一。cmos图像(xiang)(xiang)(xiang)传感器(qi)的(de)总(zong)(zong)体(ti)像(xiang)(xiang)(xiang)素(su)中被用来进行(xing)有(you)效(xiao)的(de)光电转(zhuan)换并(bing)输出(chu)图像(xiang)(xiang)(xiang)信(xin)号(hao)的(de)像(xiang)(xiang)(xiang)素(su)为有(you)效(xiao)像(xiang)(xiang)(xiang)素(su)。显而易(yi)见,有(you)效(xiao)像(xiang)(xiang)(xiang)素(su)总(zong)(zong)数(shu)(shu)隶属于(yu)像(xiang)(xiang)(xiang)素(su)总(zong)(zong)数(shu)(shu)集合。有(you)效(xiao)像(xiang)(xiang)(xiang)素(su)数(shu)(shu)目直接(jie)决定了cmos图像(xiang)(xiang)(xiang)传感器(qi)的(de)分辨能力。
3、动态范围
动(dong)态(tai)范(fan)围(wei)(wei)(wei)由cmos图像(xiang)传感器(qi)的(de)信(xin)号处(chu)理能(neng)力和噪(zao)声决定,反(fan)映了(le)cmos图像(xiang)传感器(qi)的(de)工(gong)作范(fan)围(wei)(wei)(wei)。参照CCD的(de)动(dong)态(tai)范(fan)围(wei)(wei)(wei),其数值是输(shu)出(chu)端的(de)信(xin)号峰值电压(ya)与均(jun)方根噪(zao)声电压(ya)之比,通常用DB表示。
4、光谱响应特性
cmos图(tu)像传(chuan)感(gan)器(qi)的(de)信(xin)号(hao)电压(ya)Vs和信(xin)号(hao)电流Is是入射光(guang)波长λ的(de)函数。光(guang)谱(pu)响应特性就是指CMOS图(tu)像传(chuan)感(gan)器(qi)的(de)响应能力随波长的(de)变化关系,它(ta)决定了CMOS图(tu)像传(chuan)感(gan)器(qi)的(de)光(guang)谱(pu)范围。
5、灵敏度
图像(xiang)传(chuan)感器对入射光(guang)功率的响应(ying)能(neng)(neng)力被称为响应(ying)度(du)。对于(yu)cmos图像(xiang)传(chuan)感器来说(shuo),通(tong)常(chang)采(cai)用电(dian)流(liu)灵(ling)敏度(du)来反映响应(ying)能(neng)(neng)力,电(dian)流(liu)灵(ling)敏度(du)也就是单位光(guang)功率所产生的信号电(dian)流(liu)。
6、分辨率
分辨率(lv)是指cmos图像(xiang)传感(gan)器对景(jing)物中明暗细(xi)节的分辨能(neng)力(li)。通常(chang)用(yong)调制传递函数(MTF)来(lai)表(biao)示,同(tong)时也可以(yi)用(yong)空(kong)间频率(lv)(lp/mm)来(lai)表(biao)示。
7、光电响应不均匀性
cmos图像(xiang)传感(gan)(gan)器(qi)(qi)是离散采(cai)样型成像(xiang)器(qi)(qi)件,光电响应(ying)不均匀性定义(yi)为(wei)cmos图像(xiang)传感(gan)(gan)器(qi)(qi)在标准的均匀照明条件下,各个(ge)像(xiang)元(yuan)的固(gu)定噪声电压峰(feng)峰(feng)值与(yu)信(xin)号电压的比值。
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