CMOS图像传感器组成部分

CIS（CMOS image sensor）是互补金属氧化物半导体图像传感器，也称CMOS图像传感器。CIS是一种光学传感器，其功能是将光信号转换为电信号，并通过读出电路转为数字化信号，广泛应用于视觉领域，是摄像头模组的核心元器件。

简介

CMOS称为互补式金属氧化物半导体（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，缩写作 CMOS），是一种集成电路的设计工艺，可以在硅质晶圆模板上制出NMOS（n-type MOSFET）和PMOS（p-type MOSFET）的基本元件，由于NMOS与PMOS在物理特性上为互补性，因此被称为CMOS（Complementary 的来历）。此一般的工艺上，可用来制作电脑电器的静态随机存取内存、微控制器、微处理器与其他数字逻辑电路系统、以及除此之外比较特别的技术特性，使它可以用于光学仪器上，例如互补式金氧半图像传感装置在一些高级数码相机中变得很常见。

传感器可以通过几种方式进行分类，例如其结构类型（CCD或CMOS），色度类型（彩色或单色）或快门类型（全局或滚动快门）。还可以通过分辨率，帧速率，像素大小和传感器格式对它们进行分类。理解这些术语可以帮助人们更好地了解哪种传感器最适合其应用。无论如何分，图像传感器的目的是相同的 —— 将入射光（光子）转换为可以查看，分析或存储的电信号。图像传感器是固态设备，并且是机器视觉相机中最重要的组件之一。每年，随着传感器尺寸，分辨率，速度和光敏度的改进，制造出新的传感器品种。 本文分为通识和深入部分。只想初步了解的请看通识（图像传感器技术的一些基础知识，以及它们与它们的分类之间的关系），较感兴趣的请看深入部分。

通识内容

组成部分 以下是典型的CMOS图像传感器。传感器芯片与保护玻璃包装在一起。Package是一个将传感器连接到PCB的平台垫（pads），不同的传感器采用不同的包装（Package）。  

 

CMOS图像传感器示意图 固态图像传感器芯片包含由光敏元件，微透镜和微电子元件组成的像素。芯片由半导体公司制造，并从晶圆上切割下来。引线键（Wire bonds）合将信号从芯片转移到传感器背面的接触垫。该包装（Package）可保护传感器芯片和焊线免受物理和环境损害，提供散热功能，并包括用于信号传输的互连电子设备。包装前部的透明窗口称为盖玻片（Cover Glass），可保护传感器芯片和电线，同时允许光线到达感光区域。 相机内部的传感器功能 在照相机系统中，图像传感器接收通过透镜或其他光学器件聚焦的入射光（光子photons）。根据传感器是CCD还是CMOS，它会将信息作为电压或数字信号传输到下一级。CMOS传感器使用片上模数转换器（Analog to Digital Converter，ADC）将光子转换为电子，然后转换为电压，最后转换为数字值。

 

典型的CMOS相机布局 根据相机制造商的不同，所使用的总体布局和组件也会有所不同。这种布局的主要目的是将光转换成数字信号，然后可以对其进行分析以触发将来的动作。消费级相机将具有图像存储（存储卡），查看（嵌入式LCD）以及机器视觉相机没有的控制旋钮和开关的其他组件。 CCD与CMOS的不同 CCD传感器（Charged Couple Device，电荷耦合器件）同时开始和停止所有像素的曝光。这称为全局快门。CCD然后将该曝光电荷转移到水平移位寄存器，然后将其发送到浮动扩散放大器。注意：2015年，索尼宣布了计划在2026年之前停止生产CCD并终止对CCD的支持。CCD的特点有：1. 全局快门，2. 低噪声，3. 高动态范围， 4. 中等帧率，5. Subject to smearing 过去，CMOS传感器一次只能启动和停止一行像素的曝光，这被称为卷帘快门。随着时间的推移，这种情况发生了变化，现在市场上有许多全局快门CMOS传感器可用。CMOS传感器为每个像素 列使用较小的ADC（下图红框），从而提供比CCD高的帧速率。多年来，CMOS传感器经历了重大改进，使大多数现代CMOS传感器在图像质量，图像速度和总体价值方面均与CCD相同或更高。CCD的特点有：1. 全局快门和卷帘快门，2. 非常低的噪音，3. 很高的动态范围，4. 很高的帧频，5. No smearing 单色和彩色传感器

左：单色传感器平面。右：带有拜耳阵列的彩色传感器平面。 对于右上方所示的颜色传感器示例，所使用的滤色器阵列是拜耳滤色器。此滤镜模式使用50％的绿色，25％的红色和25％的蓝色阵列。虽然大多数彩色相机使用拜耳滤镜图案，但还有其他滤镜图案可用，它们具有不同的图案排列和RGB拆分方式。 图像传感器尺寸 图像传感器具有不同的格式类型（也称为光学类别，传感器尺寸或类型）和封装形式。分辨率和像素大小将决定传感器的整体大小，较大的传感器比较小的传感器具有更高的分辨率或更大的像素大小。了解传感器格式对于选择照相机的镜头和光学元件很重要。所有镜头均针对特定的传感器格式和分辨率而设计。请注意，传感器格式仅描述传感器芯片的区域，而不描述整个传感器。

 

从左往右：1/6″, 1/3″, 2/3″, 1″ 以下是CMOS传感器的示例，其类型为2/3英寸。但是，模具的实际对角线尺寸仅为0.43英寸（11毫米）。当前的传感器“英寸”类型不是传感器的实际对角线尺寸。传感器格式类型似乎有些模棱两可，但实际上是基于旧的视频摄象机管，英寸测量是指视频管的外径。下图显示了最常见的传感器格式类型及其实际传感器对角线尺寸（毫米）的图表。 像素大小 像素大小以微米（µm）为单位，并且包括光电二极管和周围电子设备的整个面积。CMOS像素由光电二极管（photodiode），放大器（amplifier），复位门（reset gate），传输门（transfer gate）和浮动扩散组成（floating diffusion）。然而，这些元素可能并不总是在每个像素内，因为它们也可以在像素之间共享。下图显示了CMOS单色和彩色像素的简化布局。

简化的CMOS单色和彩色像素结构 通常，较大的像素尺寸对于提高光敏感度更好，因为光电二极管有更大的面积来接收光。如果传感器格式保持不变，但分辨率提高，则像素尺寸必须减小。尽管这可能会降低传感器的灵敏度，但像素结构，降噪技术和图像处理方面的改进已帮助缓解了这种情况。为了更准确地了解传感器的灵敏度，最好参考传感器的spectral response光谱响应（quantum efficiency，量子效率）以及其他传感器性能结果。 单色和彩色光谱响应 由于单色传感器和彩色传感器之间的物理差异，以及传感器制造商的技术和像素结构之间的差异，因此不同的传感器将在不同程度上感应光。一种更准确地了解传感器对光的敏感性的方法是读取其光谱响应图（也称为量子效率图）。 下面的2个图表是同一传感器型号的单色和彩色版本。左侧显示单色传感器的光谱响应，右侧显示颜色传感器。X轴是波长（nm），Y轴是量子效率（％）。大多数机器视觉彩色摄像机都安装了红外截止滤光片，以阻挡近红外波长。这样可以消除图像中的IR噪声和颜色交叉现象，与人眼对颜色的解释方式最匹配。但是，在许多应用中，不使用IR截止滤镜对图像进行成像可能是有益的。无论是否安装了红外截止滤镜，色彩传感器都不会像单色传感器那样灵敏。

没有红外截止滤镜的单色传感器（左）和彩色传感器（右） 量子效率越高，传感器对光的感知越好。 全局与滚动快门 传感器的重要功能是其快门类型。电子快门的两种主要类型是全局快门和滚动快门。这些快门类型在其操作和最终成像结果上是不同的，尤其是在照相机或目标处于运动状态时。下图显示了全局快门传感器的曝光时间。所有像素都同时开始和结束曝光，但读出仍然逐行进行。该定时产生没有失真或扭曲的图像。全局快门传感器对于高速移动物体成像至关重要。 下图显示了卷帘快门传感器的曝光时间。曝光时间逐行不同，重置和读出发生在不同的时间。如果目标或相机运动，则此逐行曝光会产生图像失真。卷帘传感器为成像静态或缓慢移动的物体提供出色的灵敏度。

 

深入内容

结构

像素结构

像素基础电路结构

CMOS图像传感器中的像素可以看作是由一个光电二极管、光电二极管复位开关、信号放大器和输出电路组成的电路。具有信号放大功能的像素被称为有源像素。MRS为光电二极管的复位晶体管、MSEL为位线选择晶体管、MRD和偏执电流负载形成一个源极跟随器、Vpix为光电二极管的电压、VPIXOUT为输出节点、CSH为采样保持电容、CPIX为像素内的存储节点的电容。源极跟随器是一种电压缓冲器，具有电流放大能力，但不进行电压放大。光生电荷由式AV*(CSH/CPIX)得出。其中AV是源极跟随器的电压增益(<1)。

X-Y像素寻址方式

视频信号是通过行（垂直）和列（水平）扫描器对像素阵列进行光栅扫描获得的。一般情况下，行扫描器在每一帧时间内产生一个行选择脉冲和一个复位脉冲并送入选定行的像素中，列扫描器在每一个行周期扫描各列。CMOS 图像传感器中两种常见的扫描器是移位寄存器和解码器。移位寄存器的优点是结构简单，翻转噪声低，在一些改进结构中读出更加灵活。而解码器具有比移位寄存器更大的扫描灵活性，可以应用窗选读出或跳跃式读出。

固定模式噪声抑制

CCD将光生电荷转移到位于CCD寄存器后端的电荷检测放大器，使得所有信号均通过同样的放大器后读出，因此，放大器的失调保持恒定。另一方面，CMOS 图像传感器中的每个像素的放大器都有失调的波动，这会导致固定模式噪声的产生。MRD 阈值电压的波动是该噪声的主要来源，其大小一般为几十毫伏。因此，CMOS 图像传感器必须增加噪声抑制电路来抑制失调的波动。固定模式噪声抑制的原理如下图。首先，经过一段积分时间后，像素输出一个包含光生信号和放大器失调的信号 VSIG，这个信号读出后被存储在一个存储单元中。像素被复位后输出一个仅包含放大器失调的信号VRST，这个信号再次被读出并存储在另一个存储单元中。通过对两次输出做差，放大器的失调可以抵消。应该指出的是，由暗电流的变化引起的失调不能被抑制。

像素寻址和信号处理结构

卷帘式快门和全局快门

功耗对比

CMOS有缘像素技术

CMOS图像传感器的有源像素由一个光电二极管和一个读出电路构成。下面主要是介绍光电二极管的结构和相应的读出方案。

PN光电二极管像素

PN详细见维基百科。 PN光电二极管像素在早期的CMOS 图像传感器中比较流行。它只需相对简单的修改就可以被整合到 CMOS 制造和设计工艺中，并且这种修改可以通过电路原理图来表述，从而使图像传感器的设计兼容于通用集成电路设计环境中。因此，对于低成本图像传感器或小规模定制化图像传感器来讲，PN光电二极管像素仍然是划算的解决方案。虽然噪声性能通常不如钳位光电二极管像素，但 PN 光电二极管像素在提供更大的满阱容量上具有明显的优势。满阱容量可以通过增加 PN 光电二极管像素的光电二极管电容得到提升，但是钳位光电二极管像素的满阱容量受到光电二极管钳位电势的限制。 PN光电二极管结构 光电二极管复位噪声（kTC噪音）

硬复位和软复位

复位晶体管工作在饱和模式下的复位被称为“软复位"，工作丁线性模式下的复位则被称为“硬复位”。硬复位的噪声电平由上式给出。在软复位模式下的复位噪声被降低到大约 1 / 、，这是复位期间对电流的整流效果造成的。

    软复位的一个缺点是它引人了图像拖尾，这是由复位后光电二极管电压对曝光的依赖引起的，即在有限的复位时间内复位电压不足以达到某一固定电压值。在软复位操作前，注人偏置电荷（称为“刷新复位"）可以消除图像拖尾。复位噪声显著影响暂态本底噪声。例如，具有 5fF 电容和 1 V 电压摆幅的光电二极管，软复位的 kTC 噪声电荷和满阱容量分别是 28e- 和 32ke- ，这意味着复位噪声将最大动态范围限制为 61dB。　　

      审核编辑：彭静