【導讀】圖像傳感器是數字成像係統的主要組成部分之一，對整體係統性能有很大影響。圖像傳感器的兩種主要類型是電荷耦合器件 (CCD) 和 CMOS 成像器。在本文中，我們將了解 CMOS 圖像傳感器的基礎知識。

圖像傳感器是數字成像係統的主要組成部分之一，對整體係統性能有很大影響。圖像傳感器的兩種主要類型是電荷耦合器件 (CCD) 和 CMOS 成像器。在本文中，我們將了解 CMOS 圖像傳感器的基礎知識。

查看我們的電荷耦合器件 (CCD) 圖像傳感器係列。您可以從CCD 的結構和功能入手。

CMOS 光電探測器

大多數 CMOS 光電探測器都基於 PN 結光電二極管的工作原理。當光電二極管反向偏置時（反向電壓小於雪崩擊穿電壓），與入射光強度成正比的電流分量將流過二極管。該電流分量通常稱為光電流。

由於光電流隨光強度線性增加，我們可以使用光電二極管來構建光電探測器。這種光電檢測結構的抽象表示如下所示。

(a) 光電探測器示例示意圖 (b) 光電流值隨時間的變化。圖片由Abbas El Gamal提供。

複位開關在曝光周期開始時閉合，以將光電二極管反向偏置到電壓 VD。jiexialai，kaiguandakai
，chanshengyurusheguangqiangduchengzhengbideguangdianliu。gaidianliuzaifeiandaopiandefanweinei，bingqietaixiaoerwufazhijieceliang。ruguowomenrangguangdianerjiguanbaoluzaiguangxianxiayiduanshijian，tint，電流將在二極管電容 CD shangjifen。cunchudedianheweiwomentigonglegengyiyuceliangdegengqiangdeleijixinhao。ciwai，hebingdepingjunguochengshileijixinhaogengzhongshidibiaoshicededeguangqiangdu，youqishizaichuliweiruohuocaozadexinhaoshi。

請注意
，阱容量 Qwell 設置了 CD 可以容納的電荷量的上限。超過一定的光照強度，二極管將飽和
，累積的電荷將等於值
，如上圖所示。因此
，必須謹慎選擇積分期。 

另(ling)一(yi)個(ge)應(ying)該(gai)考(kao)慮(lv)的(de)非(fei)理(li)想(xiang)效(xiao)應(ying)是(shi)，除(chu)了(le)光(guang)電(dian)流(liu)之(zhi)外(wai)，還(hai)有(you)另(ling)一(yi)種(zhong)稱(cheng)為(wei)暗(an)電(dian)流(liu)的(de)電(dian)流(liu)分(fen)量(liang)流(liu)過(guo)二(er)極(ji)管(guan)。暗(an)電(dian)流(liu)是(shi)在(zai)沒(mei)有(you)光(guang)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)產(chan)生(sheng)的(de)電(dian)流(liu)。必(bi)須(xu)化(hua)該(gai)電(dian)流(liu)分(fen)量(liang)以(yi)化(hua)器(qi)件(jian)靈(ling)敏(min)度(du)。

CMOS 圖像傳感器的框圖

CMOS圖像傳感器的基本結構如下圖所示。

圖片由Edmund Optics提供。

二維光電探測器陣列用於檢測入射光強度。光電探測器產生的電荷被轉換為電壓信號，並通過“行選擇”和“列選擇”開關陣列傳遞到輸出放大器。ADC 用於將放大信號數字化。

為了執行讀出

，給定行的像素值被並行傳輸到一組存儲電容器（上麵未示出）
，然後，這些傳輸的像素值被順序讀出。

上圖顯示了 APS（有源像素傳感器）架構。在 APS 設備中，每個像素位置不僅包含光電二極管，還包含放大器。一種稱為 PPS（無源像素傳感器）的更簡單的架構沒有將放大器集成到像素中。在 DPS（數字像素傳感器）設備中，每個像素都有自己的模數轉換器和存儲塊。因此，DPS 架構中的像素輸出與光強度成比例的數字值。

DPS 或圖表像素傳感器的示意圖。圖片由Abbas El Gamal提供。

CMOS 圖像傳感器的優缺點

顧名思義
，CMOS 圖像傳感器采用標準 CMOS jishuzhizao。zheshiyigezhuyaoyoushi，yinweitayunxuwomenjiangchuanganqiyuchengxiangxitongsuoxudeqitamoniheshuzidianlujichengzaiyiqi。jichengjiejuefanganshiwomennenggoujiangdigonghaobingtigaoduchusudu。qitatuxiangchuanganqijishubingfeiruci，lirudianheouheqijian (CCD)
，它們基於針對電荷轉移和成像優化的專用製造技術。    

CMOS 圖tu像xiang傳chuan感gan器qi的de一yi個ge缺que點dian是shi讀du出chu路lu徑jing中zhong有you幾ji個ge有you源yuan器qi件jian會hui產chan生sheng時shi變bian噪zao聲sheng。此ci外wai
，製zhi造zao不bu一yi致zhi會hui導dao致zhi不bu同tong像xiang素su的de電dian荷he電dian壓ya放fang大da器qi之zhi間jian的de不bu匹pi配pei。這zhe會hui導dao致zhi固gu定ding模mo式shi噪zao聲sheng，其qi中zhong不bu同tong的de像xiang素su即ji使shi暴bao露lu在zai均jun勻yun的de光guang照zhao下xia也ye會hui產chan生sheng不bu同tong的de值zhi。

滾動快門偽影

對於許多 CMOS tuxiangchuanganqi，butongxiangsuxingdepuguangzhouqikaishishijianlveyoubutong。tongchang，xingcongshangdaoxiaanshunxuzhongzhi。zaigeidingxingdejifenshijianguoquhou，tadedushuyinggaikaishi。yinci，guangjifencongshangdaoxiayicifasheng，jiuxiangzhongzhiguochengyiyang。zaibuzhuokuaisuyidongdewutishi，zhekenenghuidaozhiyizhongchengweigundongkuaimenweixiangdeshizhen。zheshiyinweidangsuoyouxiangsudoubeibuhuoshi，juyoukuaisuyidongwutidechangjingkenenghuifashengbianhua。gundongkuaimenweiyingbenshenbiaoxianweibuhuochangjingzhongdeyixiefeigangxinghuowanqu。xiatuduicijinxingleshuoming。

圖片由安森美半導體提供。

現代高端 CMOS 傳感器具有更快的讀出速率

，並且可以更輕鬆地避免這種不理想的效果。此外，還有帶有全局快門的 CMOS 圖tu像xiang傳chuan感gan器qi，其qi中zhong所suo有you像xiang素su的de重zhong置zhi和he曝pu光guang周zhou期qi同tong時shi發fa生sheng。在zai積ji分fen時shi間jian結jie束shu時shi，不bu同tong像xiang素su的de累lei積ji電dian荷he被bei同tong時shi轉zhuan移yi到dao存cun儲chu區qu以yi供gong進jin一yi步bu處chu理li。由you於yu所suo有you像xiang素su的de曝pu光guang周zhou期qi同tong時shi發fa生sheng
，因yin此ci不bu會hui有you滾gun動dong快kuai門men效xiao果guo。 

結論

反向偏置光電二極管產生與入射光強度成正比的電流分量。這些光電探測器的二維陣列可用於實現 CMOS 圖像傳感器。CMOS 圖像傳感器中的像素可以具有不同級別的複雜性。例如
，CMOS 圖像傳感器的像素不僅可以包含光電二極管，還可以包含放大器。DPS（數字像素傳感器）設備采用更複雜的像素
，其中每個像素都有自己的模數轉換器和存儲塊。

CMOS 圖像傳感器重要的優勢是可以將傳感器與成像係統所需的其他模擬和數字電路集成在一起。可以降低 CMOS 圖像傳感器性能的兩個噪聲源是不同像素組件之間的製造不匹配以及讀出路徑中有源器件的噪聲。

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