CMOS图像传感器简介

时间：2025-04-21

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。

图2 PPS像素结构图3 图像信号时序

（2）有源像素主动式传感器（APS）

APS像素结构的基本电路如图4所示。从图上可以看出，场效应管V1构成光电二极管的负载，它的栅极接在复位信号线上，当复位脉冲出现时，V1导通，光电二极管被瞬时复位；而当复位脉冲消失后，V1截止，光电二极管开始积分光信号。图5为上述过程的时序图，其中，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；积分结束后，

V3管导通，信号输出。

图4 APS像素结构图5 图像信号时序

（3）数字像素图像传感器（DPS）

上面提到的无源像素传感器和器和有源像素传感器的像素读出均为模拟信号，于是它们又通称为模拟像素传感器。近年来，美国斯坦福大学提出了一种新的CMOS图像传感器结构一数字像素传感器（DPS），在像素单元里集成了ADC（Analog-to-Digital Convertor）和存储单元[4]。由于这种结构的像素单元读出为

数字信号，其它电路都为数字逻辑电路，因此数字像素传感器的读出速度极快，具有电子快门的效果，非常适合高速应用，而且它不像读出模拟信号的过程，不存在器件噪声对其产生干扰。另外，由于DPS充分利用了数字电路的优点，因此易于随着CMOS工艺的进步而提高解析度，性能也将很快达到并超过CCD图像传感器，并且实现系统的单片集成。

3．性能指标[5]

CMOS图像传感器与CCD图像传感器相比，具有功耗低、摄像系统尺寸小、可将信号处理电路与MOS图像传感器集成在一个芯片上等优点。但其图像质量（特别是低亮度环境下）与系统灵活性与CCD相比相对较低。表1列出CCD与CMOS图像传感器的特点，从表中可见CMOS与CCD图像传感器各有特点，二者互为补充，不会出现谁消灭谁的结局) ，在可预见的未来将并存发展，共同繁荣图像传感器市场。

表1 CCD与CMOS图像传感器的特点

（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。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。

（2）像素总数和有效像素数

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）最小照度最小照度是指在使用最大光圈增益、摄取特定目标时视频信号输出幅度为100IRE所对应的入射光的最小值。

（4）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。

（5）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。

（6）分辨力