CMOS图像传感器教学文案
图像传感器课程设计
图像传感器课程设计一、课程目标知识目标：1. 理解图像传感器的定义、分类和工作原理；2. 掌握图像传感器在数码相机、手机等日常电子产品中的应用；3. 了解图像传感器在科学研究、医疗、安防等领域的实际应用。
技能目标：1. 能够描述不同类型图像传感器的工作原理及其优缺点；2. 学会使用图像传感器进行基本的数据采集和处理；3. 能够运用图像传感器解决实际问题，进行简单的项目设计。
情感态度价值观目标：1. 培养学生对图像传感器的兴趣，激发他们探索科学技术的热情；2. 增强学生的团队协作意识，培养他们在项目实践中的沟通与协作能力；3. 提高学生对图像传感器在科技发展和社会生活中的重要性的认识，培养他们的社会责任感。
课程性质：本课程为电子技术及应用领域的一门实用技术课程，旨在让学生了解图像传感器的原理和应用，培养他们的实践能力和创新精神。
学生特点：学生处于高年级阶段，具备一定的电子技术基础知识，对新技术和新应用具有较强的兴趣和探究欲望。
教学要求：结合学生特点，注重理论与实践相结合，充分调动学生的主观能动性，引导他们通过项目实践，掌握图像传感器的相关知识。
在教学过程中，注重培养学生的团队合作能力和实际操作能力，提高他们的科技素养。
二、教学内容1. 图像传感器基础知识：- 图像传感器的定义与分类；- 图像传感器的工作原理；- 图像传感器的性能参数。
2. 图像传感器的应用：- 数码相机、手机等日常电子产品中的应用；- 科学研究、医疗、安防等领域的实际应用案例。
3. 图像传感器项目实践：- 图像传感器选型与数据采集；- 基于图像传感器的数据处理与分析；- 设计简单的图像传感器应用项目。
教学大纲：第一课时：图像传感器基础知识- 引入图像传感器的概念，介绍不同类型的图像传感器；- 讲解图像传感器的工作原理及其性能参数。
第二课时：图像传感器应用- 分析图像传感器在日常电子产品中的应用；- 介绍图像传感器在科学研究、医疗、安防等领域的实际应用案例。
CMOS图像传感器原理及应用
随着消费者对高清晰度图像的需求增加，CMOS图像传感器的像素尺寸不断增大，同时分辨率也在逐 步提高。
详细描述
为了满足市场对高清晰度图像的需求，CMOS图像传感器厂商不断推出具有更大像素尺寸和更高分辨 率的产品。这使得图像传感器能够捕捉到更多的细节，提供更丰富的色彩和更准确的图像还原。
高速和高动态范围性能的追求
帧率
帧率是指传感器能够以每秒拍摄的图 像帧数。帧率越高，传感器能够捕捉 到的动态场景就越流畅。
04 CMOS图像传感器的应用 领域
消费电子产品
数码相机
CMOS图像传感器广泛应 用于数码相机中，提供高 清晰度的照片和视频。
智能手机
智能手机中的后置和前置 摄像头都采用了CMOS传 感器，以实现高质量的拍 照和视频通话。
平板电脑
平板电脑中的摄像头也使 用了CMOS传感器，为用 户提供便捷的拍摄功能。
工业和医疗领域
工业检测
CMOS传感器在工业领域中用于生产线上的检测和质量控制，提高生产效率和产 品质量。
医疗影像
CMOS传感器可以用于医疗设备中，如内窥镜和显微镜，提供高清晰度的图像， 有助于医生进行诊断和治疗。
安全监控和无人驾驶
需要进一步研究和解决的问题
噪声抑制
动态范围与分辨率
CMOS图像传感器易受到噪声干扰，如何 有效抑制噪声、提高图像质量是亟待解决 的问题。
进一步提高CMOS图像传感器的动态范围 和分辨率，以满足更高要求的图像采集需 求。
集成与小型化
低功耗设计
随着应用领域的不断拓展，对CMOS图像 传感器的集成度和尺寸要求也越来越高， 需要研究更先进的工艺和设计方法。
安全监控
CMOS传感器广泛应用于安全监控领域，为公共场所和私人 住宅提供高清视频监控，提高安全保障。
CMOS图像传感器-Flicker讲课讲稿
C M O S图像传感器-
F l i c k e r
Sensor在日光灯作为光源下获取图像数据时会产生flicker，其根本原因是照在不同pixel上光能量不同产生的，所接受的光能量的不同也就是图像的亮度的不同。
电源的频率有两种标准：50Hz（大陆）和60Hz（台湾、日本）的正弦波形，当然能量是没有方向性的，因此对应的能量是一个频率为100Hz和120Hz 的波形，如下图1所示：
图1、60Hz电源频率及能量波形
由于能量在时间方向上的波形，照在sensor上就使每一个pixel产生在时间方向上的相应波形，由于CMOS sensor的曝光方式是一行一行的方式进行的，任何一个pixel的曝光时间是一样的，也就是同一行上的每个pixel的曝光开始点和曝光的时间都是一模一样的，所以同一行的所有点所接受到的能量是一样的，而在不同行之间虽然曝光时间都是一样的，但是曝光的开始点是不同的，所以不同行之间所接受到的能量是不一定相同的。
由此产生sensor出来的图像可能在图像高度方向上会有相应的波形，如下图2：
图2，sensor图像数据能量示意图
为了使不同行之间所接受的能量相同，就必须找一个特定的条件，使得每一行即使曝光开始点不同，但是所接受的光能量是相同的，这样就避开了flicker，这个特定的条件就是曝光时间必须是光能量周期的整数倍时间。
图像传感器课程设计
图像传感器课程设计一、课程目标知识目标：1. 让学生理解图像传感器的定义、分类和工作原理，掌握相关基础知识；2. 使学生了解图像传感器在现实生活中的应用，如数码相机、监控设备等；3. 引导学生掌握图像传感器的主要性能指标，如分辨率、灵敏度、动态范围等。
技能目标：1. 培养学生运用图像传感器知识分析和解决实际问题的能力；2. 提高学生通过查阅资料、进行实验等方式，探索图像传感器新技术的能力；3. 培养学生动手操作和团队合作的能力，进行简单的图像传感器实验。
情感态度价值观目标：1. 激发学生对图像传感器技术及其应用的兴趣，提高学习积极性；2. 培养学生关注科技发展，关注图像传感器在生活中的应用，增强社会责任感；3. 引导学生认识到图像传感器技术在信息安全、隐私保护等方面的重要性，培养正确的价值观。
分析课程性质、学生特点和教学要求：本课程为电子信息技术领域的拓展课程，针对八年级学生设计。
学生在本阶段已具备一定的物理和数学基础，对电子技术有一定了解。
课程要求紧密结合教材，注重理论与实践相结合，强调学生的参与和体验，培养创新思维和动手能力。
二、教学内容1. 图像传感器基础知识：- 图像传感器的定义、分类和工作原理；- 图像传感器的主要性能指标：分辨率、灵敏度、动态范围等。
2. 图像传感器的应用领域：- 数码相机、监控设备等生活中的应用；- 工业检测、医疗影像等领域的应用。
3. 教学大纲：- 第一章：图像传感器概述（1课时）- 1.1 图像传感器的定义与分类- 1.2 图像传感器的工作原理- 第二章：图像传感器性能指标（1课时）- 2.1 分辨率- 2.2 灵敏度- 2.3 动态范围- 第三章：图像传感器应用案例（1课时）- 3.1 生活领域的应用- 3.2 工业及医疗领域的应用- 第四章：图像传感器实验（2课时）- 4.1 实验一：图像传感器的基本操作- 4.2 实验二：图像传感器性能测试教学内容安排和进度：本教学内容共5课时，按照教学大纲的章节顺序进行。
cmos图像传感器ppt课件可编辑全文
数码相机传感器尺寸
单反相机一般采用的是大尺寸的APS-C画幅感光元 件，而有些卡片相机采用的是1/2.3英寸感光元件，虽 然它们可能都拥1800万像素，但是区别在于二者的单 个像素宽度不同。APS-C画幅、1800万像素感光元件 的每一个像素宽约为4.3微米，而1/2.3英寸、1800万像 素感光元件的每一个像素宽约有1.68微米。
6.6
11.00
1/1.7英寸 7.76
5.82
9.70
1/2.3英寸 6.16
4.62
7.70
1/3.2英寸 4.13
3.05
5.13
面积 864.00 518.94 372.88 332.27 261.80 224.90 116.16 58.08 45.16 28.46 12.60
数码相机的像素:
尾端各有3个像元为虚设单元。
图9.SXGA型图像传感器的像敏区结构
六、典型CMOS图像传感器
SXGA型CMOS成像器件的光谱特性如图10所示。
图10.SXGA型图像传感器的光谱响应特性曲线
六、典型CMOS图像传感器
SXGA型CMOS成像器件的输出特 性如图11所示。曲线的线性段的动 态范围仅为66dB。若采用对数放大
图5.主动式像敏单元结构的基本电路
图6.主动式像敏单元时序图
三、CMOS图像传感器的像敏单元结构
主动式像素结构（Active Pixel Sensor.简称APS）， 又叫有源式， 几乎在CMOS PPS像素结构发明的同时，人 们很快认识到在像素内引入缓冲器或放大器可以改善像素 的性能，在CMOS APS中每一像素内都有自己的放大器。集 成在表面的放大晶体管减少了像素元件的有效表面积，降 低了“封装密度”，使40%～50%的入射光被反射。这种传 感器的另一个问题是，如何使传感器的多通道放大器之间 有较好的匹配，这可以通过降低残余水平的固定图形噪声 较好地实现。由于CMOS APS像素内的每个放大器仅在此读 出期间被激发，所以CMOS APS的功耗比CCD图像传感器的 还小。
第一部分第三章CMOS图像传感器
CMOS成像器件的组成 像敏单元结构 工作流程和辅助电路
3.2 CMOS成像器件的原理结构
3.2.1 CMOS成像器件的组成
它的主要组成部分是像敏单元阵 它的主要组成部分是像敏单元阵 组成部分是 列和MOS场效应管集成电路，而且 场效应管集成电路， 列和 场效应管集成电路 这两部分是集成在同一硅片上的； 这两部分是集成在同一硅片上的； 像敏单元阵列由光电二极管阵列 构成。如图中所示的像敏单元阵列按X 构成。如图中所示的像敏单元阵列按
3.2 CMOS成像器件的原理结构
3.2.1 CMOS成像器件的组成
图像信号的输出过程：
在Y方向地址译码器（可以采用移位寄存器） 的控制下，依次序接通每行像敏单元上的模 拟开关（图中标志的Si,j），信号将通过行开 关传送到列线上； 通过X方向地址译码器（可以采用移位寄存 器）的控制，输送到放大器。 由于信号经行与列开关输出，因此，可以实 现逐行扫描或隔行扫描的输出方式。也可以 只输出某一行或某一列的信号。
CMOS图像传感器的功能很多，组成也很复杂。由像 敏单元，行列开关，地址译码器，A/D转换器等许多部 分组成较为复杂的结构。 应使诸多的组成部分按一定的程序工作，以便协调各 组成部分的工作。为了实施工作流程，还要设置时序脉 冲，利用它的时序关系去控制各部分的运行次序；并用 它的电平或前后沿去适应各组成部分的电气性能。
3.2 CMOS成像器件的原理结构
3.2.2 CMOS成像器件的像敏单元结构
2.主动像敏单元结构 2.主动像敏单元结构 复位脉冲首先来到，V1导通， 光电二极管复位； 复位脉冲消失后，光电二极管 进行积分； 积分结束时，V3管导通，信号 输出。
3.2 CMOS成像器件的原理结构
3.2.3 CMOS图像传感器的工作流程
cmos课程设计
cmos课程设计一、教学目标本章节的教学目标包括以下三个方面：1.知识目标：学生能够掌握CMOS的基本原理、结构和特点，了解其在我国半导体产业的重要地位。
2.技能目标：学生能够运用CMOS知识分析实际问题，提高解决实际问题的能力。
3.情感态度价值观目标：培养学生对我国半导体事业的热爱，增强民族自豪感，激发学生投身半导体领域的志向。
二、教学内容本章节的教学内容主要包括以下几个方面：1.CMOS的基本原理：介绍CMOS的组成、工作原理和性能特点。
2.CMOS结构：讲解CMOS器件的结构类型、特点及应用领域。
3.CMOS在我国半导体产业的重要地位：阐述CMOS技术在我国半导体产业的发展历程、现状和未来趋势。
4.实际案例分析：分析CMOS技术在现代电子设备中的应用案例，提高学生解决实际问题的能力。
三、教学方法为了实现本章节的教学目标，将采用以下教学方法：1.讲授法：讲解CMOS的基本原理、结构和在我国半导体产业的重要地位。
2.讨论法：学生讨论CMOS技术的未来发展及其在电子设备中的应用。
3.案例分析法：分析实际案例，培养学生解决实际问题的能力。
4.实验法：安排实验室实践，让学生亲手操作，加深对CMOS技术的理解。
四、教学资源为了支持本章节的教学，将准备以下教学资源：1.教材：选用我国半导体领域权威著作，作为主教材。
2.参考书：提供相关领域的经典著作和最新研究成果，丰富学生的知识体系。
3.多媒体资料：制作课件、视频等多媒体资料，增强课堂教学的趣味性和生动性。
4.实验设备：安排实验室实践，提供必要的实验设备和器材。
五、教学评估本章节的教学评估将采用以下方式：1.平时表现：评估学生在课堂上的参与度、提问回答等情况，以体现学生的学习态度和兴趣。
2.作业：布置相关作业，评估学生对知识的掌握和运用能力。
3.考试：安排期末考试，全面测试学生对本章节知识的掌握程度。
评估方式将力求客观、公正，全面反映学生的学习成果。
六、教学安排本章节的教学安排如下：1.教学进度：按照教材和大纲，合理安排每一节课的内容和进度。
CMOS图像传感器第四章CMOS
T 图3-2
光栅信号电荷积分在光栅（PG）下，浮置扩散点（A）复位 （电压为VDD），然后TX开启，收集在光栅下的信号电荷
转移到扩散点，复位电压水平与信号电压水平之差就是传感 器的输出信号。它由源跟随器转变为信号电压输出。
光栅型CMOS APS
每个像素采用5个晶
体管，典型的像素间
距为20μm（最小特 征尺寸）。
20世纪80年代，英国爱丁堡大学成功地制造出了世界 上第一块单片CMOS图像传感器件。
CMOS
（Comple-mentary Metal-Oxicle-Semiconductor）
二、CMOS摄像器件
采用CMOS技术可以将光电摄像器件阵列、驱 动和控制电路、信号处理电路、模／数转换器、 全数字接口电路等完全集成在一起，可以实现 单芯片成像系统。
CMOS图像传感器芯片采用了CMOS工艺，可将图像采集 单元和信号处理单元集成到同一块芯片上。
由于具有上述特点，它适合大规模批量生产，适用于 要求小尺寸、低价格、摄像质量无过高要求的应用， 如保安用小型对讲机、微型相机、手机、计算机网络 视频会议系统、无线手持式视频会议系统、条形码扫 描器、传真机、玩具、生物显微计数、某些车用摄像 系统等大量商用领域。
光栅型有源像素结构（PG－APS）——成像质量较 高
CMOS有源像素传感器的功耗比较小。但与无源像素 结构相比，有源像素结构的填充系数小，其设计填充 系数典型值为20%-30%。
在CMOS上制作微透镜阵列，可以等效提高填充系数 （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）。
从某一方面来说，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。
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CMOS 数字像素传感器 （CMOS- DPS, Digital Pixel Sensor）
光敏元件，是CMOS的重要感光器件，常用的是光 电二极管。
光电二极管利用的是半导体的光生伏特效应。当光 子入射到PN结形成的耗尽层内时，PN结内的原子 吸收光子能量，并产生本征吸收，激发出电子—空 穴对，在耗尽区内建电场的作用下，空穴被拉到P 区，电子被拉到N区，形成反向电流即光电流。
70 年代初,CMOS 传感器在美国航空航天局(NASA) 的Jet Propulsion Laboratory( JPL) 制造成功。
80 年代末, 英国爱丁堡大学成功试制出了世界第1 块单 片CMOS 型图像传感器件。
1995 年, 像元数为128×128 的高性能CMOS 有源像素 图像传感器由JPL首先研制成功。
2000 年, 日本东芝公司和美国斯坦福大学采用0.35 μm 技术开发的CMOS- APS 已成为开发超微型CMOS 摄像机的 主流产品。
2008年6月豪威科技领先业界宣布投产背照式（BSI） CMOS传感器。
CMOS 无源像素传感器 (CMOS- PPS,Passive Pixel Sensor)
1997 年, 英国爱丁堡VLSI Version 公司首次实现了 CMOS 图像传感器的商品化。就在这一年, 实用CMOS 技术 的特征尺寸达到了0.35 μm,东芝研制成功了光电二极管型 APS (Active Pixel Sensor), 其像元尺寸为5.6 μm×5.6 μm, 具有彩色滤色膜和微透镜阵列。
格式
长度（mm） 宽度（mm） 对角线
全画幅
36
24
43.27
佳能APS-H 27.9
18.6
33.53
尼康DX
23.6
15.8
28.40
佳能APS-C 22.3
14.9
26.82
佳能1.5英寸 18.7
14
23.36
4/3英寸
17.3
13
21.64
尼康 1系列 13.2
8.8
15.86
富士2/3英寸 8.8
CMOS图像传感器,它是一种用传统的芯片工艺方法将光敏元件、 放大器、A/D转换器、存储器、数字信号处理器和计算机接口 电路等集成在一块硅片上的图像传感器件。
制约CMOS发展的原因
CMOS 图像传感器图像质量差、分辨 率低、噪声大、光照灵敏低
CCD有效面积大、均匀收集和转移电 荷、噪声小
但是最近10 年, 由于集成电路设计技术和工艺水平的提高, CMOS 图像传感器过去存在的缺点现在都可以找到办法克服, 而且它固有 的诸如像元内放大、列并行结构, 以及深亚微米CMOS 处理等独 特的优点更是CCD 器件所无法比拟的, 而且与CCD 技术相比, CMOS 技术集成度高、采用单电源和低电压供电、成本低、采用 单芯片、功耗低和设计简单，这些优点使CMOS 图像传感器用途 广泛，成为研究的热点。
微纳检测与成像课题组 黄林波
2014年4月14日
概述
CMOS结构与工作原理 CMOS图像传感器特征参数 影响CMOS传感器性能的主要问题 CMOS和CCD的比较 主流的CMOS图像传感器厂商及其产
品展示
最新CMOS图像传感器技术
互补金属氧化物半导体图像传感器 CMOS—Complementary Metal Oxide Semiconductor
4、灵敏度
图像传感器对入射光功率的响应能力被称为响应 度。对于CMOS图像传感器来说,通常采用电流灵敏 度来反映响应能力,电流灵敏度也就是单位光功率所 产生的信号电流。
5、分辨率
分辨率是指CMOS图像传感器对景物中明暗细Байду номын сангаас的 分辨能力。通常用调制传递函数(MTF)来表示,同时也 可以用空间频率(lp/mm)来表示。
像素总数是指所有像素的总和，像素总数是衡量 CMOS图像传感器的主要技术指标之一。CMOS图像
传感器的总体像素中被用来进行有效的光电转换并输 出图像信号的像素为有效像素。显而易见,有效像素
总数隶属于像素总数集合。有效像素数目直接决定了 CMOS图像传感器的分辨能力。
3、动态范围
动态范围由CMOS图像传感器的信号处理能力和噪 声决定,反映了CMOS图像传感器的工作范围。参照 CCD的动态范围,其数值是输出端的信号峰值电压与 均方根噪声电压之比,通常用DB表示。
6.6
11.00
1/1.7英寸 7.76
5.82
9.70
1/2.3英寸 6.16
4.62
7.70
1/3.2英寸 4.13
3.05
5.13
面积 864.00 518.94 372.88 332.27 261.80 224.90 116.16 58.08 45.16 28.46 12.60
2、像素总数和有效像素数
简而言之，CMOS图像传感器和CCD图像传感器在 光检测方面都是基于硅的光电效应。
Cmos型一维图像传感器
1、CMOS 无源像素传感器
主要是由光电二极管和开关管组成 量子效率较高，但读出噪声大
2、CMOS 有源像素传感器
A、光敏二极管型有源像素结构（PD-APS）
主要由光电二极管、若干放大器和开关管组成 灵敏度高、功耗低，但是像素单元尺寸大、填充系
图像传感器阵列的一列 共用一个ADC，从而构 成一个ADC 线阵列. AD C在并行方式下，对逐列 信号进行AD 转换
c、像素级ADC 的数字图像传感器
图像传感器的每一个像元 或者邻近的一个像元组 （如2 × 2、2 × 3 等） 对应一个ADC，而ADC 在并行方式下工作。
1、传感器尺寸
CMOS图像传感器的尺寸越大，则成像系统的尺寸 越大，捕获的光子越多，感光性能越好，信噪比越低。 目前，CMOS图像传感器的常见尺寸有1英寸、2/3 英寸、1/2英寸、1/3英寸、1/4英寸等。
数小
B、光栅型有源像素结构（PG-APS）
主要由光栅PG、若干放大器和开关管组成 灵敏度高、功耗低，但是像素单元尺寸大、填充系数小
3、 CMOS 数字像素传感器
a、芯片级ADC 的数字图像传感器
芯片上集成一个A/D 转换器,每个像素的输 出都要经过该ADC转 换后输出
b、列级ADC 的数字图像传感器