CMOS图像传感器原理及类型
CMOS图像传感器原理及类型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。
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。
1、CMOS图像传感器工作原理
CMOS图像传感器的功能图
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。
CMOS图像传感器在每个像素位置内都有一个放大器，这就使其能在很低的带宽情况下把离散的电荷信号包转换成电压输出，而且也仅需要在帧速率下进行重置。CMOS图像传感器的优点之一就是它具有低的带宽，并增加了信噪比。由于制造工艺的限制，早先的CMOS图像传感器无法将放大器放在像素位置以内。这种被称为PPS的技术，噪声性能很不理想，而且还引来对CMOS图像传感器的种种干扰。
随着制作工艺的提高，使在像素内部增加复杂功能的想法成为可能。现在，在像素位置以内已经能增加诸如电子开
关、互阻抗放大器和用来降低固定图形噪声的相关双采样保持电路以及消除噪声等多种附加功能。实际上，在Conexant 公司（前Rockwell半导体公司）的一台先进的CMOS摄像机所用的CMOS图传感器上，每一个像素中都设计并使用了6个晶体管，测试到的读出噪声只有1均方根电子。不过，随着像素内电路数量的不断增加，留给感光二极管的空间逐渐减少，为了避免这个比例（又称占空因数或填充系数）的下降，一般都使用微透镜，这是因为每个像素位置上的微小透镜都能改变入射光线的方向，使得本来会落到连接点或晶体管上的光线重回到对光敏感的二极管区域。
因为电荷被限制在像素以内，所以CMOS图像传感器的另一个固有的优点就是它的防光晕特性。在像素位置内产生的电压先是被切换到一个纵列的缓冲区内，然后再被传输到输出放大器中，因此不会发生传输过程中的电荷损耗以及随后产生的光晕现象。它的不利因素是每个像素中放大器的阈值电压都有细小的差别，这种不均匀性就会引起固定图像噪声。然而，随着CMOS图像传感器的结构设计和制造工艺的不断改进，这种效应已经得到显著弱化。
这种多功能的集成化，使得许多以前无法应用图像技术的地方现在也变得可行了，如孩子的玩具，更加分散的保安摄像机、嵌入在显示器和膝上型计算机显示器中的摄像机、带相机的移动电路、指纹识别系统、甚至于医学图像上所使
用的一次性照相机等，这些都已在某些设计者的考虑之中。
2、CMOS图像传感器相关技术
CMOS图像传感器的光电转换原理与CCD基本相同，其光敏单元受到光照后产生光生电子。而信号的读出方法却与CCD 不同，每个CMOS源像素传感单元都有自己的缓冲放大器，而且可以被单独选址和读出。
下图上部给出了MOS三极管和光敏二极管组成的相当于一个像元的结构剖面，在光积分期间，MOS三极管截止，光敏二极管随入射光的强弱产生对应的载流子并存储在源极的P．N 结部位上[1]。当积分期结束时，扫描脉冲加在MOS三极管的栅极上，使其导通，光敏二极管复位到参考电位，并引起视频电流在负载上流过，其大小与入射光强对应。图2-1下部给出了-个具体的像元结构，由图可知，MOS三极管源极P．N 结起光电变换和载流子存储作用，当栅极加有脉冲信号时，视频信号被读出。
3、CMOS图像传感器陈列结构
CMOS像敏元阵列结构
1一垂直移位寄存器：2一水平移位寄存器；3一水平扫描开关；4一垂直扫描开关；5一像敏元阵列；6一信号线；7一像敏元
CMOS摄像器件的原理框图
如前所述，各MOS晶体管在水平和垂直扫描电路的脉冲驱动下起开关作用。水平移位寄存器从左至右顺次地接通起
水平扫描作用的MOS晶体管，也就是寻址列的作用，垂直移位寄存器顺次地寻址列阵的各行。每个像元由光敏二极管和起垂直开关作用的MOS晶体管组成，在水平移位寄存器产生的脉冲作用下顺次接通水平开关，在垂直移位寄存器产生的脉冲作用下接通垂直开关，于是顺次给像元的光敏二极管加上参考电压(偏压)。被光照的二极管产生载流子使结电容放电，这就是积分期间信号的积累过程。而上述接通偏压的过程同时也是信号读出过程。在负载上形成的视频信号大小正比于该像元上的光照强弱。
4、CMOS图像传感器功能结构及工作原理
如图所示，给出了CMOS图像传感器结构框图信号流程图，首先，景物通过成像透镜聚焦到图像传感器阵列上，而图像传感器阵列是一个二维的像素阵列，每一个像素上都包括一个光敏二极管，每个像素中的光敏二极管将其阵列表面的光强转换为电信号，然后通过行选择电路和列选择电路选取希
望操作的像素，并将像素上的电信号读取出来，放大后送相关双采样CDS电路处理，相关双采样是高质量器件用来消除一些干扰的重要方法，其基本原理是由图像传感器引出两路输出，一路为实时信号，另外一路为参考信号，通过两路信号的差分去掉相同或相关的干扰信号，这种方法可以减少KTC 噪声、复位噪声和固定模式噪声FPN(Fixed Pattern Noise)，同时也可以降低1／f噪声，提高了信噪比，此外，它还可以完成信号积分、放大、采样、保持等功能。然后信号输出到模拟／数字转换器上变换成数字信号输出。
5、CMOS图像传感器结构类型
CCD型和CMOS型固态图像传感器在光检测方面都利用了硅的光电效应原理，不同点在于像素光生电荷的读出方式。典型的CMOS像素阵列，是一个二维可编址传感器阵列。传感器的每一列与一个位线相连，行允许线允许所选择的行内每一个敏感单元输出信号送入它所对应的位线上，位线末端是多路选择器，按照各列独立的列编址进行选择。
根据像素的不同结构，CMOS图像传感器可以分为无源像素
被动式传感器（PPS）和有源像素主动式传感器（APS）。根据光生电荷的不同产生方式APS又分为光敏二极管型、光栅型和对数响应型，现在又提出了DPS(digital pixel sensor)概念。
1）无源像素被动式传感器
PPS出现得最早，结构也最简单，使得CMOS图像传感器走向实用化，其结构原理如图3所示。每一个像素包含一个光敏二极管和一个开关管TX。当TX选通时，光敏二极管中由于光照产生的电荷传送到了列线col,列线下端的积分放大器将该信号转化为电压输出，光敏二极管中产生的电荷与光信号成一定的比例关系。无源像素具有单元结构简单、寻址简单、填充系数高、量子效率高等优点，但它灵敏度低、读出噪声大。因此PPS不利于向大型阵列发展，所以限制了应用，很快被APS代替。
2)光敏二极管像素单元
光敏二极管像素单元是由光敏二极管，复位管，源跟随和行选通开关管组成，此外还有电荷溢出门管M3，M3的作用是增加电路的灵敏度，用一个较小的电容就能够检测到整个光敏二极管的n+扩散区所产生的全部光生电荷，它的栅极接约1V的恒定电压，在分析器件工作原理时可以忽略将其看成短路。电荷敏感扩散电容用做收集光生电荷。复位管M4对光敏二极管和电容复位，同时作为横向溢出门控制光生电荷的
积累和转移。源跟随器M1的作用是实现对信号的放大和缓冲，改善APS的噪声问题。源跟随器还可加快总线电容的充放电，因而允许总线长度增加和像素规模增大。因此，APS比PPS具有低读出噪声和高读出速率等优点，但像素单元结构复杂，填充系数降低，填充系数一般只有20%到30%。它的工作过程是：首先进入“复位状态”，复位管打开，对光敏二极管复位；然后进入“取样状态”，复位管关闭，光照射到光敏二极管上产生光生载流子，并通过源跟随器放大输出；最后进入“读出状态”，这时行选通管打开，信号通过列总线输出。
3)光栅型APS
光栅型APS是由美国喷气推进实验室（JPL）首先推出的。其中感光结构由光栅PG和传输门TX构成。光栅输出端为漂移扩散端，它与光栅PG被传输门TX隔开。像素单元还包括一个复位晶体管，一个源跟随器和一个行选通晶体管。当光照射在像素单元时，在光栅PG处产生电荷；与此同时，复位管打开，对势阱复位；然后复位管关闭，行选通管打开，复位后的电信号由此通路被读出并暂存起来，之后传输门TX 打开，光照产生的电信号通过势阱并被读出，前后两次的信号差就是真正的图像信号。
4)对数响应型CMOS-APS
对数响应型CMOS-APS拥有很高的动态范围。它由光敏二极管、负载管、源跟随器和行选通管组成，负载管栅极是一恒
定偏置电压（不一定要是电源电压），该像素单元输出信号与入射光信号成对数关系，它的工作特点是光线被连续地转化为信号电压，而不像一般APS那样存在复位和积分过程。但是，对数响应型CMOS-APS的一个致命缺陷就是对器件参数相当敏感，特别是阈值电压。
PPS和APS都是在像素外进行模/数（A/D）转换的，而DPS 将模/数（A/D）转换集成在每一个像素单元里，每一个像素单元输出的是数字信号，工作速度更快，功耗更低