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新型CMOS图像传感器原理及应用
Metal oxide semiconductor (Complementary Metal-Oxide
Semiconductor, CMOS) image sensor and a charge coupled device (Charge
Coupled Device, CCD) imaging device in 20 years ago almost
simultaneously started. CCD is the application of photographic high-
end technology elements in photography, CMOS is applied to the lower
image quality products.
The CCD device has the advantages of high sensitivity, low noise,
light, small pixels, so in the past 15 years it has dominated the
image sensor market. In contrast, CMOS image sensor pixel existed in
the past, the signal-to-noise ratio is small, low resolution of these
shortcomings, has been unable to compete and CCD technology. But with
the development of large-scale integrated circuit technology, the
past manufacturing a CMOS image sensor is not easy to solve in the
process of technical difficulties have to find ways to solve the
corresponding, thus greatly improves the image quality of CMOS image
sensor.
金属氧化物半导体元件(Complementary Metal-Oxide Semiconductor，CMOS)图
像传感器和电荷耦合元件(Charge Coupled Device，CCD)摄像器件在20年前几
乎是同时起步的。CCD是应用在摄影摄像方面的高端技术元件，CMOS则应用于
较低影像品质的产品中。
由于CCD器件有光照灵敏度高、噪音低、像素小等优点，所以在过去15年里它
一直主宰着图像传感器市场。与之相反，CMOS图像传感器过去存在着像素大，信
噪比小，分辨率低这些缺点，一直无法和CCD技术抗衡。但是随着大规模集成电路技术的不断发展，过去CMOS图像传感器制造工艺中不易解决的技术难关现已都
能找到相应解决的途径，从而大大改善了CMOS图像传感器的图像质量。 一、基本原理
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。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。
然而今天,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。二，图像的预处理过程及方法
为了得到良好的图像质量，需要对所采集的原始图像数据进行处理。一般上，图像
的预处理是在协处理器中完成的。最近，随着SoC技术的发展，可以在CMOS
传感器中集成图像预处理功能．这正显示了CMOS图像传感器的优势所在。
图像的预处理主要包括了缺陷修正、去除FPN噪声、色彩差值，图像锐化差值、
光圈修正、Gamma修正等一系列处理。
通过数字图像处理算法来实现来实现上述的图像预处理过程，其硬件平台可
以是集成在SoC中的图像处理电路、ASIC图像处理芯片，或通用的DSP芯片。
首先是消除图像中的缺陷，如果某一个像素中有缺陷，而导致了其输出电平被
钳位于高电乎(黑点)或低电平(白点)，就需要通过图像处理来进行弥补。通常是
使用其周围相同颜色像素的平均值来代替该像素的输出值。
通常情况下，不同列的列模／数转换器存在着差异，这就导致了固定模式噪声
(fixed Pattern Noise，FPN)的产生。图4中Black Lines中的数据就是用来消
除FPN的。协处理器会利用这一部分数据来达到消除FPN的目的。
由于每个像素上为某种彩色滤光片，所以要通过色彩差值来得到其余两种色彩信息。
Gamma修正是为了消除在电学器件和光学器件之间在信号传输上的非线性效应。
从以上的图像处理过程可知，许多算法中使用了差值，这就导致了图像的平滑
化，而为了恢复锐利的图像，就需要进行光圈修正。在图像处理中，通过边缘检测
而得到的锐化边缘对差值后的平滑图像进行卷积，从而得到锐利的图像。 三，CMOS图像传感器的应用
微型摄象机
在很多应用场合, 隐蔽摄象机必须大大缩小摄 象机的体积, 采用 CMOS 图象
传感器可方便地做到 这一点。目前国内市场上销售的 DV -5016 型微型黑 白
摄象机 ( 16mm×16mm×12mm) , 其功耗只有 50mW, 配以高效可充电电池, 即
使全天候工作, 也 不会引起电路过热和图象质量变差。近来推出中分 辨率的
CMOS 黑白微型摄象机, 其灵敏度高达
6 0. 1lx, 图象清晰度可等同于 CCD 摄象机。 目前可视门铃或可视电话都是
CCD 非隐蔽式 的。随着治安要求不断提高, 为确保门外或室内外 的摄象系统
不被识破而遭到破坏, 在室内外安装隐 蔽式摄象系统将成为家用消费系统的一
种趋势。对 于 CMOS 微型摄象机, 只要配有管状镜头, 就能达 到隐蔽而难被
破坏的目的。 微型CMOS 摄象机的各种配置已在汽车尾视、 内视-T ax 司机
的监视系统、塔吊起重、汽车防盗、电 梯监控、超市防盗、银行监控、焦点采访、
监狱、缉 私等许多领域中得到应用。由于其安装简便、使用 方便、自动启动、
自动录象、费用低, 使其应用也 越来越广泛。
手表式数码相机
日本卡西欧计算机公司于 2000 年 3 月推出手 表式 CMOS 数码相机。该
相机平常可以当作手表使 用, 需要摄影时则可当作相机。与一般 CCD 数码相
机相比该产品小巧玲珑, 更适合随身携带, 随时拍 摄。另外该相机还可以将电
话号码与对方的照片一 起编排存储, 估计会受到年轻人的喜爱。CMOS 手 表
式相机的重量为 32g, 外形尺寸为52mm×44mm×16mm, 定价为 2. 2 万日元。 手表式相机上配有按钮, 可以切换时间显示模
式和摄影模式, 所拍摄的照片为黑白。所拍照片还 可以在手表的显示表盘上编
辑。
在医学上的应用
在医疗领域, 可将 CMOS 图象传感器应用于一 种医疗x 射线机, 该机的优点
是病人所受 x 射线的 剂量较小, 比传统方式的 1/ 100 还要低, 同时其形
成的数字图象不仅比 x 射线胶片更易保存, 而且由 于它可以进行进一步的修改、
比较等操作, 所以还 可以为医生进行诊断和治疗提供帮助。 CMOS 图象传感器
除用于医用 x 射线产品外, 还可用CMOS 图象传感器组装成超微型摄象机, 心
脏外科医 生可以在患 者胸部安 装一个微小 型 CMOS 摄象机 ( 俗称 “电子
眼” ) , 以便在手术后监 视手术效果, CCD 图象传感器就很难实现这种应用。
四，结束语
图象传感器是继 CCD 图象传感器发展 之后深受人们欢迎的多功能摄象器件,
它采用单电 源工作、单片集成、集成度高、功耗低、成本低、自 动记时、随
机存取、无损读取、抗光晕和耐辐射。随 着亚微米工艺的不断发展和器件结构的
改进, 该器 件的性能不断提高。已发展了无源型和有源型 CMOS 图象传感器,
其发展十分迅速, 并且形成与 CCD 图象传感器竞争的局面。有专家预测它有可能
替代CCD。CMOS 图象传感器组装的黑白和彩色摄 象机已用于汽车尾视、电梯监
控、超市防盗、高速 公路交通量的监视、隧道内和十字路口的监视、玩 具、
游戏机、娱乐机器、可视通讯设备、高清晰度 电视、医用仪器仪表、核仪器、
自动聚焦、星系跟 踪系统以及数码相机等。
aps cmos星敏感器 系统原理及实现方法
APS（Active Pixel Sensor）CMOS 星敏感器是一种采用 CMOS 技术制造的数字成像设备，用于捕捉和处理星体图像。其工作原理主要是通过检测星体图像的特征，用于航天器姿态控制和导航。以下是
APS CMOS 星敏感器系统的基本原理及实现方法：
1. 系统原理
APS CMOS 星敏感器基于主动像素传感技术，每个像素都具有独立的光电转换和信号读取功能。在成像过程中，光子撞击像素单元，将其转化为电信号。信号读取电路将电信号转换为数字信号，并按照预定的格式输出。
2. 星敏感器核心组件
（1）CMOS 图像传感器：作为星敏感器的核心元件，CMOS 图像传感器将光信号转换为电信号。常见的 CMOS 图像传感器类型包括 APS、BSI（Back-Side Illuminated）等。
（2）信号处理电路：对 CMOS 图像传感器输出的电信号进行放大、滤波、模数转换等处理，得到数字化的星体图像。
（3）星体识别算法：通过分析星体图像的特征，例如星点的形状、亮度等，实现星体的识别和定位。
（4）姿态解算模块：根据星体的识别结果，结合预先存储的星表数据，计算航天器的姿态信息。
3. 实现方法
（1）硬件实现：设计并制造具有高性能的 CMOS 图像传感器，提高星敏感器的灵敏度和信噪比。
（2）软件实现：开发星体识别算法和姿态解算模块，实现对星体图像的实时处理。
（3）系统集成：将 CMOS 星敏感器、信号处理电路、星体识别算法等组件集成到一个紧凑的系统中，便于安装和使用。
（4）标定与优化：针对不同的应用场景，对星敏感器进行标定和优化，提高系统性能。
浅析CMOS图像传感器晶圆级封装技术
浅析CMOS图像传感器晶圆级封装技术
展开全文
摘要：CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）图像传感器(CMOS Image Sensor, CIS)正向着高速、大像素和低成本的方向发展，晶圆级封装技术由于其小型化、低成本的优点近年来受到广泛关注。根据结构和应用领域的不同，详细介绍了基于硅通孔(Through Silicon Via, TSV)技术的多种CMOS图像传感器晶圆级封装技术，并介绍和分析不同技术的应用场景和存在的挑战。
关键词：CMOS图像传感器；晶圆级封装；硅通孔技术
1
引 言
自2000年夏普推出第一款可拍照的手机，经过二十多年的发展，手机已成为人们日常生活中必不可少的工具，其中摄像头是智能手机的核心功能，各大手机厂商均把拍摄性能作为产品的关键竞争指标。手机摄像头的演变也日新月异，最初的手机是单个摄像头，但是由于智能手机摄像头尺寸较小，单个CMOS图像传感器（CMOS Image
Sensor, CIS）感光性能有限，为了达到更好的拍照效果，将原先集成在一个摄像头上的多种功能分解成多个单一功能摄像头，如广角、长焦、微距等，促使了后置双摄、前置双摄，再到3D感应模组、后置三摄、四摄、五摄等多摄视觉解决方案的出现。多摄像头的出现在提升图像质量的同时，促进了图像传感器市场规模稳步提升[1]。2019年，全球智能手机图像传感器出货量超过47亿颗，同比增长15%。2020年华为推出的P40 Pro+型号手机，摄像头高达7个，这表明未来智能手机摄像头市场仍然会保持稳步增长。
与此同时，随着无人驾驶的兴起，CIS在汽车摄像头市场也得到了迅猛的发展。先进辅助驾驶系统(Advanced Driving Assistance
System, ADAS)的普及导致每辆汽车至少有8个摄像头，包含后视摄像、全方位视图系统、摄像机监控系统等[2-6]。据Yole统计，2016—2018年全球车载CIS市场规模分别是5.4亿美元、6.6亿美元、8.7亿美元，预计2023年达到32亿美元，年复合增长率高达29.7%，汽车市场将会成为仅次于手机的第二大CIS应用领域。其他新的应用，如安防、无人机、机器人、虚拟现实、增强现实等，也将给全球CMOS市场的增长提供动力[7-8]。
CMOS图像传感器的基本原理及设计
CMOS图像传感器的基本原理及设计
摘 要：介绍CMOS图像传感器的基本原理、潜在优点、设计方法以及设计考虑;
关键词：互补型金属－氧化物－半导体图像传感器；无源像素传感器；有源像素传感器
1引言
20世纪70年代,CCD图像传感器和CMOS图像传感器同时起步;CCD图像传感器由于灵敏度高、噪声低,逐步成为图像传感器的主流;但由于工艺上的原因,敏感组件和信号处理电路不能集成在同一芯片上,造成由CCD图像传感器组装的摄像机体积大、功耗大;CMOS图像传感器以其体积小、功耗低在图像传感器市场上独树一帜;但最初市场上的CMOS图像传感器,一直没有摆脱光照灵敏度低和图像分辨率低的缺点,图像质量还无法与CCD图像传感器相比;
如果把CMOS图像传感器的光照灵敏度再提高5倍～10倍,把噪声进一步降低,CMOS图像传感器的图像质量就可以达到或略微超过CCD图像传感器的水平,同时能保持体积小、重量轻、功耗低、集成度高、价位低等优点,如此,CMOS图像传感器取代CCD图像传感器就会成为事实;
由于CMOS图像传感器的应用,新一代图像系统的开发研制得到了极大的发展,并且随着经济规模的形成,其生产成本也得到降低;现在,CMOS图像传感器的画面质量也能与CCD图像传感器相媲美,这主要归功于图像传感器芯片设计的改进,以及亚微米和深亚微米级设计增加了像素内部的新功能;
实际上,更确切地说,CMOS图像传感器应当是一个图像系统;一个典型的CMOS图像传感器通常包含：一个图像传感器核心是将离散信号电平多路传输到一个单一的输出,这与CCD图像传感器很相似,所有的时序逻辑、单一时钟及芯片内的可编程功能,比如增益调节、积分时间、窗口和模数转换器;事实上,当一位设计者购买了CMOS图像传感器后,他得到的是一个包括图像阵列逻辑寄存器、存储器、定时脉冲发生器和转换器在内的全部系统;与传统的CCD图像系统相比,把整个图像系统集成在一块芯片上不仅降低了功耗,而且具有重量较轻,占用空间减少以及总体价格更低的优点;
图像传感器的原理和应用
图像传感器的原理和应用
1. 图像传感器的简介
图像传感器是一种将光信号转化为电信号的设备，广泛应用于数码相机、智能手机、监控摄像头等设备中。图像传感器的原理是基于光电效应，通过感光元件将光信号转化为电荷或电压信号，进而生成数字图像。
2. 图像传感器的工作原理
图像传感器主要由感光元件、信号放大电路、ADC（模数转换器）等组成。下面是图像传感器的工作原理的详细解释：
2.1 感光元件
感光元件是图像传感器的核心部分，主要有两种类型：CCD（电荷耦合器件）和CMOS（互补金属氧化物半导体）。两者的原理稍有不同：
• CCD：CCD感光元件是由一系列光敏二极管组成的阵列，每个光敏二极管负责感受一个像素点的光信号，并将其转化为电荷信号，然后通过移位寄存器的方式将信号逐行传输至信号放大电路。
• CMOS：CMOS感光元件是通过将每个像素点与一个放大器结合在一起实现的。每个像素点都有自己的放大器和ADC，可以独立处理光信号并将其转化为电压信号。CMOS感光元件相比于CCD更加集成化，具有低功耗和快速读出等优势。
2.2 信号放大电路
信号放大电路主要用于放大感光元件输出的电荷或电压信号，以增强信号的强度。放大后的信号用于提供给ADC进行模数转换。
2.3 ADC（模数转换器）
ADC是将模拟信号转化为数字信号的关键部件。感光元件的输出信号是模拟信号，需要通过ADC转换为数字信号以供后续使用或存储。ADC的精度对图像质量有着重要的影响。
3. 图像传感器的应用
图像传感器已经广泛应用于各个领域，下面列举了几个常见的应用场景： 3.1 数码相机
数码相机是最常见的图像传感器应用之一。图像传感器通过感受光信号并转化为数字信号，进而生成数码照片。现代数码相机普遍采用CMOS感光元件，可以实现高分辨率、高速连拍等功能。
3.2 智能手机
智能手机中的主摄像头和前置摄像头都采用了图像传感器。图像传感器的高感光度和高分辨率可以提供出色的拍照和摄像体验，使得智能手机成为了人们日常拍照的主要设备之一。
CMOS图像传感器工作原理及研究报告
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CMOS图像传感器的工作原理及研究
摘要：介绍了CMOS图像传感器的工作原理，比较了CCD图像传感器与CMOS图像传感器的优缺点，指出了CMOS图像传感器的技术问题和解决途径，综述了CMOS图像传感器的现状和发展趋势。 1 引言
自从上世纪60年代末期，美国贝尔实验室提出固态成像器件概念后，固体图像传感器便得到了迅速发展，成为传感技术中的一个重要分支，它是PC机多媒体不可缺少的外设，也是监控中的核心器件。互补金属氧化物半导体
70年代初CMOS传感器在NASA的Jet Pro pul sion 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一块单片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喷气推进实验室首先研制成功[1]，1997年英国爱丁堡VLSI Ver sion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技术的特征尺寸已达到0.35mm，东芝研制成功了光敏二极管型APS，其像元尺寸为5.6mm×5.6mm，具有彩色滤色膜和微透镜阵列，2000年日本东芝公司和美国斯坦福大学采用0.35mm技术开发的CMOS-APS已成为开发超微型CMOS摄像机的主流产品。
2 技术原理
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。CMOS图像传感器芯片的结构 [2]如图1所示。典型的CMOS像素阵列[3]，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概念。
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PPS[4,5]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
有源像素CMOS图像传感器
有源像素CMOS图像传感器
图1示出了有源像素CMO图像传感器(Active Sensor , APS)的功能结构图
其中成像部分为光极管阵列(Photo Diode Array)
图l 肓澤曜CMOE弗車锋暮E慚功能结码團
四场效应管(4T)有源像素CMO图像传感器的每个像素由光敏二极管、复位管
T。、转移管T1、源跟随器T。和行选通开关管T。组成，如图2所示［9］。
转移管T1，被用来将光敏二极管连接至源跟随器 T3。，并通过复位管T2与
VDD相连.T3的栅极与T1和T2之间的N+扩散区相连。与3T结构的APS相比，减
少了与T3的栅极相关的漏电流效应。源跟随器 T3的作用是实现对信号的放大和缓
冲，改善APS的噪声问题。T4是用来将信号与列总线相连。其工作过程是：首先进
入“复位状态”，T2打开，对光敏二极管复位；然后进入“取样状态”，T2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 T3放大输出；最后进入
“读出状态”，这时行选通管 T4打开，信号通过列 总线输出。
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接触式图像传感器 ( CIS(Contact Image Sensor) 是 90 年代新型图像传感
器。与电荷耦合器件(CCD相比.CIS的优点主要有a无须外加光源、光学透镜等 辅助机构b具有尺寸小、重量轻、结构紧凑及便于安装 c采用R a 3光源.系统 功耗低d采用陶瓷基底.有良好的温度特性。
目前.已有部分传真机及多功能打印机(MFP采用了 CIS。世界著名的扫描仪制 造商
ccdcmos
博学笃行 自强不息
1
ccdcmos
CCD和CMOS是两种常见的数字图像传感器技术。它们广泛应用于相机、摄像机、手机等设备中。本文将介绍CCD和CMOS的基本原理、特点以及它们在图像传感器领域的应用。
CCD是英文Charge-Coupled Device的缩写，中文名为电荷耦合器件。它是一种基于电荷耦合技术的图像传感器。CCD是由一系列电荷耦合器件阵列组成的。当光线通过镜头进入CCD，光子会在感光元件上产生电荷。然后，这些电荷会被传递到一组容量耦合的电极中，最后被转换为电压信号。
相比之下，CMOS是英文Complementary Metal-Oxide-Semiconductor的缩写，中文名为互补金属氧化物半导体。CMOS图像传感器是基于互补金属氧化物半导体技术制造的。与CCD不同，CMOS图像传感器的每个像素都包含了一个光敏元件、一个转换器和一个存储单元。每个像素都可以单独处理和控制电荷转换，从而实现图像的获取和处理。
CCD和CMOS有各自的特点和优势。首先，CCD具有较高的图像质量和较低的噪声水平。它适用于需要高质量图像的应用，如专业摄影和科学测量。其次，CCD在低光条件下表现出色，具有较高的灵敏度和动态范围。此外，CCD还具有较低的功耗和较高的稳定性，使其在一些特殊应用中非常受欢迎。 博学笃行 自强不息
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CMOS则更适用于低成本、低功耗和大规模集成的应用。CMOS图像传感器的制造成本较低，因为它可以与通用半导体工艺一起制造，而不需要专门的工艺。此外，CMOS图像传感器的功耗较低，适合用于电池供电的设备。另外，CMOS还具有很好的集成度，可以将图像传感器和其他功能集成到同一芯片上。
CCD和CMOS在图像传感器领域广泛应用。在相机中，CCD和CMOS都可用于捕捉高质量的静态图像。然而，随着技术的不断进步，CMOS图像传感器在相机市场中占据着主导地位，因为它具有更高的性能和更低的制造成本。在摄像机中，CCD与CMOS则各有优势。CCD适用于需要高质量视频和低噪声水平的应用，如安防监控和高端摄像机。而CMOS则适用于要求低功耗和大规模集成的摄像机应用。
CMOS图像传感器简介
CMOS图像传感器简介
—— 机制班 张 波
摘要：本文介绍了CMOS图像传感器的工作原理和性能指标，指出了CMOS图像传感器的技术问题和解决途径，综述了CMOS图像传感器的现状和发展趋势。
1．引言
CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体）图像传感器是利用CMOS工艺制造的图像传感器，主要利用了半导体的光电效应，和电荷耦合器件（CCD）图像传感器的原理相同。
自从上世纪60年代末期，CMOS图像传感器与CCD图像传感器的研究几乎同时起步，但由于受当时工艺水平的限制，CMOS图像传感器图像质量差、分辨率低、噪声降不下来和光照灵敏度不够，因而没有得到重视和发展。而CCD器件因为有光照灵敏度高、噪音低、像素少等优点一直主宰着图像传感器市场。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，而且它固有的优点更是CCD器件所无法比拟的，因而它再次成为研究的热点。
2．基本原理
CMOS型和CCD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。CMOS图像传感器工作原理如图1所示[3]。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。
图1 CMOS图像传感器工作原理 （1）无源像素被动式传感器（PPS）
PPS的像素结构包含一个光电二极管和一个场效应管开关V，其像素结构如图2所示，图3为信号时序图。当V选通时，光电二极管中由于光照产生的电荷传送到了列选择线，然后列选择线下端的积分放大器将该信号转化为电压输出，光电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。
CMOS图象传感器
２００６年第６期 安徽电子信息职业技术学院学报 Ｎｏ．６ ２００６ 第５卷（总第２７期）］ＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＡＮＨＵＩ ＶＯＣＡＴＩＯＮＡＬ ＣＯＬＬＥＧＥ ＯＦ ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ＆ＩＮＦＯＲＩＩＥＩＯＮ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ Ｇｅｎｅｒａｌ １ ２７ｖ（
【文章编号】１６７１—８０２Ｘ（２００６）０６—０１００—０２ Ｃ ＭＯＳ图象传感器
董守愚 （安徽电子信息职业技术学院， 安徽蚌埠 ２３３０００） 【摘要】本文简要介绍了ＣＭＯＳ图象传感器的结构类型和基本原理，并对ＣＭＯＳ传感器和ＣＣＤ传感器的主要特点做以比 较，对ＣＭＯＳ传感器的现状和发展进行介绍。 【关键词】互补金属氧化物半导体图象传感器；ＣＭＯＳ—ＡＰＳ；电荷耦舍器件；ＣＣＤ；光电效应；无源像素；有源像素 【中图分类号】ＴＰ２１２ 【文献标识码１ Ｂ １．概述 现在固体图象传感器已经广泛地应用于电子数码摄泉 机、Ｐｃ摄像，自动监控、智能机器人和电子数码照相机等，以 前电子摄象机的图象传感器是采用外光电效应光电摄像管， 由于外光电效应摄像管具有体积重量都大，耗电多、寿命短 价格高等缺点。已经被固体图象传感器所取代。固体图象传 感器是利用半导体材料的内光电效应原理制成的光电转换 器件。固体图象传感器按工艺结构分主要有两类。一类是电 荷耦合器件（ＣＣＤ）图象传感器；另一类是互补金属氧化物 （ＣＭＯＳ）图象传感器。ＣＣＤ传感器和ＣＭＯＳ传感器都是上世 纪７Ｏ年代开始研制，但由于ＣＣＤ传感器灵敏度高、噪声低而 成为图象传感器的主流。互补金属氧化物（ＣＭＯＳ）图象传感 器由于工艺上的原因，一直没摆脱光照灵敏度低、噪声降不 下来和图象分辨率低等缺点而得不到重视和发展。ＣＣＤ图象 传感器也由于敏感元件和信号处理电路不能集成在同一芯 片上而使ＣＣＤ摄象机／照相机体积大、功耗大。ＣＭＯＳ传感器 却有集成度高、功耗小和造价低等优点，如果ＣＭＯＳ图象传 感器能克服以上缺点而保持原有的优点，就比ＣＣＤ传感器的 应用更有优势。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，而且它固有的优点更是ＣＣＤ器件所无法比拟的，因而它 再次成为研究的热点。 ＣＣＤ传感器需要多个不同电压来使它工作。而ＣＭＯＳ传 感器只需单电压工作，这也是它相比ＣＣＤ传感器另一个极大 的优点。ＣＣＤ传感器需要在外部配接放大器、模数转换器、时 序电路等等，造成体积庞大，读出速度受到限制。而ＣＭＯＳ图 像传感器却相当一个完整的图像系统。一个典型的ＣＭＯＳ图 像传感器通常包含：一个图像传感器核心，这与ＣＣＤ图像传 感器相似，所有的时序逻辑电路、单一时钟及芯片内的可编 程功能，比如增益调节、积分时间、窗口和模数转换器。与传 统的ＣＣＤ图像系统相比，把整个图像系统集成在一块芯片上 不仅降低了功耗，而且具有重量较轾，占用空间减少以及总 体价格更低的优点。 ２．ＣＭＯＳ传感器的类型和基本原理 典型的ＣＭＯＳ像素阵列是一个Ｓ－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。另外还有一中正在研制和试验阶段的ＤＰＳ— ＣＭＯＳ图象传感器，ＰＰＳ和ＡＰＳ都是在像素外进行模／数（Ａ／ Ｄ）转换的。而ＤＰＳ是将模／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。我们这里只一般性的介绍目前比较成熟的 ＣＭ０Ｓ—ＰＰＳ传感器和三种ＣＭＯＳ—ＡＰＳ图象传感器。 ２．１无源像素被动式传感器（ＣＭＯＳ—ＰＰＳ） 无源像素被动式传感器（ＰＰＳ）结构于１９６７年首次提出， 由于早期工艺比较落后，无法将放大器做在ＣＭＯＳ传感器像 素内部，所以采取这种结构。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。
ccd和cmos的原理及应用
ccd和cmos的原理及应用
1. CCD的原理
CCD（Charge-Coupled Device）是电荷耦合器件，是一种将光信号转换成电信号的光电转换器件。其工作原理基于光电效应和电压驱动。
1.1 光电效应
光电效应是指当光照射到物质表面时，光子的能量被物质中的电子吸收，电子获得能量并跃迁到更高能级，形成光电流。
1.2 电压驱动
CCD中的光电元件被加上反向偏置电压，当光子照射到光电元件上时，光电子通过电场驱动并累积在晶体的电荷传输区域。
1.3 电荷传输
通过时钟信号的作用，电荷传输区域的电荷会从像素区域逐行传输到输出端，形成一个电荷信号线，在输出端产生电压信号。
2. CMOS的原理
CMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）是一种集成电路技术，也是一种光电转换器件。与CCD相比，CMOS具有更多的优势，如功耗低、响应速度快等。
2.1 MOS结构
CMOS是由n型和p型MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect
Transistor）组成的。在CMOS中，n型MOS和p型MOS是互补的，通过开关控制电流的传输。
2.2 自激励放大
CMOS传感器通过自激励放大来增强信号。当光子照射到CMOS传感器上时，光电二极管产生电荷，经过MOSFET的放大作用，将电荷转化为电压信号。
2.3 功耗低
与CCD相比，CMOS传感器的功耗更低。这是因为CMOS传感器只有在需要时才会转换电荷为电压信号，工作时能量损耗较小。 3. CCD和CMOS的应用
3.1 CCD的应用
• 数字相机：CCD传感器是数字相机中常用的光电转换器件，能够将光信号转换为数字图像。
• 星空摄影：CCD传感器的高灵敏度和低噪声特性，使其成为拍摄星空的理想选择。
• 物体检测：CCD传感器在工业领域中广泛应用于物体检测和视觉系统。