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圖像傳感器的結構：CMOS 圖像傳感器的基本結構和像素

CMOS圖像傳感器的工作原理：每一個 CMOS 像素都包括感光二極管(Photodiode)、浮動式擴散層(Floating diffusion layer)、傳輸電極門 (Transfer gate)、起放大作用的MOSFET、起像素選擇開關作用的M0SFET.在 CMOS 的曝光階段，感光二極管完成光電轉換，產生信號電荷，曝光結束后，傳輸電極門打開，信號電荷被傳送到浮動式擴散層，由起放大作用的MOSFET電極門來拾取，電荷信號轉換為電壓信號。所以這樣的 CMOS 也就完成了光電轉換、電荷電壓轉換、模擬數

圖像傳感器的結構：CMOS圖像傳感器內部結構及工作原理

1. CMOS sensor內部結構

2.?CMOS sensor整個平面構造圖（floorplan）

光電二極管具有正向導通反向截止的特殊，反向的特性還有個電容的特性，當在二極管上加反向偏置電壓時，就會給電容充電，當電容充滿電荷之后，光子的射入會導致內部激發出新的電子 空穴對，與原來充電形成的電子空穴對進行配對放電，形成光電流I_ph，光電流I_ph給右側的電容充電變成一個電壓輸出，

3.光子（Photon）與量子效率(quantum efficiency)

自然界中有不同頻率的光線，如果我們簡單來說分成RGB三種頻率的光線，由于RGB的頻率不同，所載有的能量也是不同的，以藍光子為例，所載有的能量為4.41E-19焦耳，單個光子的能量E=hc/普朗克常量，那么一束光子的能量就等于所有光子能量的總和Total_Power=sum_of(all photons)。量子效率QE定義為，在一個camera sensor里面，經過color filter透射過來的光子轉變成電荷的的效率，如果透射過來三個光子，產生出來一個電子空穴對，那么這個效率就是1/3.

4.與量子效率QE有關的幾個重要概念

QE是衡量某個顏色通道某個頻率/波長的光子轉換成電子的效率

在不同的波長上QE是不一樣的。

camera sensor可以感受近紅外的波段，這個不符合人眼視覺的感受的，需要用IR cut把近紅外的波段去除掉，否則紅色通道感光就會過強，這樣出來的圖像就會偏紅。

像素不能夠被一個顏色的光激發的現在叫crosstalk，理想情況crosstalk為0。

sensitivity感光度：同樣的光子能夠激發出的電荷

sensitivity=QE*pixel_size? ? QE越高激發出來的電荷越多，pixel_size越大激發出來的電荷越多

5.感光過程

6.讀取過程

7.動態范圍

?

?

?

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圖像傳感器的結構：CMOS圖像傳感器的基本結構

圖
2.1
?
CMOS
圖像傳感器結構框圖

CMOS
圖像傳感器的像素為有源像素傳感器
APS
，每個像素中有一個光電
二極管作為基本的光電轉換元件，如圖
2.1
左上角的方框所示。在每個像素中
還包括由若干個
MOS
晶體管有源器件組成的電路，
把光子在光電二極管
PN
結
上激發的載流子電荷信號轉換成電壓信號，
并由模擬開關控制光電二極管的曝光
操作和信號輸出。
在大多數陣列設計中，
像素幾何形狀采取正方形，
像素在陣列
中正交排列。像素陣列示意在圖
2.1
框圖的中央，水平排列的像素構成行

圖像傳感器的結構：詳解CMOS圖像傳感器的工作原理

描述
更確切地說，CMOS圖像傳感器應當是一個圖像系統。
圖像傳感器是將光信號轉換為電信號的裝置，在數字電視、可視通信市場中有著廣泛的應用。目前應用廣泛的主要是CCD(Charge-Coupled Device，電荷耦合器件)與CMOS(Complementary metal Oxide Semiconductor，互補金屬氧化物場效應管)這兩種。
其中，CMOS是目前最引人注目，且被認為是最有發展潛力的。
CMOS圖像傳感器是一種典型的固體成像傳感器，通常由像敏單元陣列、行驅動器、列驅動器、時序控制邏輯、AD轉換器、數據總線輸出接口、控制接口等幾部分組成這幾部分通常都被集成在同一塊硅片上。其工作過程一般可分為復位、光電轉換、積分、讀出幾部分。
在CMOS圖像傳感器芯片上還可以集成其他數字信號處理電路，如AD轉換器、自動曝光量控制、非均勻補償、白平衡處理、黑電平控制、伽瑪校正等，為了進行快速計算甚至可以將具有可編程功能的DSP器件與CMOS器件集成在一起，從而組成單片數字相機及圖像處理系統。
更確切地說，CMOS圖像傳感器應當是一個圖像系統。事實上，當一位設計者購買了CMOS圖像傳感器后，他得到的是一個包括圖像陣列邏輯寄存器、存儲器、定時脈沖發生器和轉換器在內的全部系統。
CMOS圖像傳感器的工作原理詳解：
1、MOS管的像元結構
MOS三極管和光敏二極管組成的相當于一個像元的結構剖面，在光積分期間，MOS三極管截止，光敏二極管隨入射光的強弱產生對應的載流子并存儲在源極的P．N結部位上（如下圖中的①位置）。
當積分期結束時，掃描脈沖加在MOS三極管的柵極上，使其導通，光敏二極管復位到參考電位，并引起視頻電流在負載上流過，其大小與入射光強對應。
MOS三極管源極P．N結起光電變換和載流子存儲作用，當柵極加有脈沖信號時，視頻信號被讀出。
2、CMOS圖像傳感器陣列結構
CMOS像敏元陣列結構，由水平移位寄存器、垂直移位寄存器和CMOS像敏元陣列組成。
CMOS像敏元陣列結構
（1一垂直移位寄存器：2一水平移位寄存器；3一水平掃描開關；4一垂直掃描開關；5一像敏元陣列；6一信號線；7一像敏元）
如前所述，各MOS晶體管在水平和垂直掃描電路的脈沖驅動下起開關作用。水平移位寄存器從左至右順次地接通起水平掃描作用的MOS晶體管，也就是尋址列的作用，垂直移位寄存器順次地尋址列陣的各行。
每個像元由光敏二極管和起垂直開關作用的MOS晶體管組成，在水平移位寄存器產生的脈沖作用下順次接通水平開關，在垂直移位寄存器產生的脈沖作用下接通垂直開關，于是順次給像元的光敏二極管加上參考電壓(偏壓)。
被光照的二極管產生載流子使結電容放電，這就是積分期間信號的積累過程。而上述接通偏壓的過程同時也是信號讀出過程。在負載上形成的視頻信號大小正比于該像元上的光照強弱。
3、CMOS圖像傳感器的工作原理及流程
根據CMOS圖像傳感器的功能框圖，可發現CMOS圖像傳感器的工作流程主要分為以下三步。
CMOS圖像傳感器的功能框圖
第一步：外界光照射像素陣列，發生光電效應，在像素單元內產生相應的電荷。
景物通過成像透鏡聚焦到圖像傳感器陣列上，而圖像傳感器陣列是一個二維的像素陣列，每一個像素上都包括一個光敏二極管，每個像素中的光敏二極管將其陣列表面的光強轉換為電信號。
第二步：通過行選擇電路和列選擇電路選取希望操作的像素，并將像素上的電信號讀取出來。
在選通過程中，行選擇邏輯單元可以對像素陣列逐行掃描也可隔行掃描，列同理。行選擇邏輯單元與列選擇邏輯單元配合使用可以實現圖像的窗口提取功能。
第三步：把相應的像素單元進行信號處理。
行像素單元內的圖像信號通過各自所在列的信號總線，傳輸到對應的模擬信號處理單元以及A/D轉換器，轉換成數字圖像信號輸出。其中，模擬信號處理單元的主要功能是對信號進行放大處理，并且提高信噪比。
像素電信號放大后送相關雙采樣CDS電路處理，相關雙采樣是高質量器件用來消除一些干擾的重要方法。其基本原理是由圖像傳感器引出兩路輸出，一路為實時信號，另外一路為參考信號，通過兩路信號的差分去掉相同或相關的干擾信號。
這種方法可以減少KTC噪聲、復位噪聲和固定模式噪聲FPN(FixedPatternNoise)，同時也可以降低1／f噪聲，提高了信噪比。此外，它還可以完成信號積分、放大、采樣、保持等功能。
然后信號輸出到模擬／數字轉換器上變換成數字信號輸出。
另外，為了獲得質量合格的實用攝像頭，芯片中必須包含各種控制電路，如曝光時間控制、自動增益控制等。為了使芯片中各部分電路按規定的節拍動作，必須使用多個時序控制信號。為了便于攝像頭的應用，還要求該芯片能輸出一些時序信號，如同步信號、行起始信號、場起始信號等。
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