圖像傳感器的結(jié)構(gòu)：CMOS 圖像傳感器的基本結(jié)構(gòu)和像素
CMOS圖像傳感器的工作原理：每一個(gè) CMOS 像素都包括感光二極管(Photodiode)、浮動(dòng)式擴(kuò)散層(Floating diffusion layer)、傳輸電極門 (Transfer gate)、起放大作用的MOSFET、起像素選擇開關(guān)作用的M0SFET.在 CMOS 的曝光階段，感光二極管完成光電轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生信號(hào)電荷，曝光結(jié)束后，傳輸電極門打開，信號(hào)電荷被傳送到浮動(dòng)式擴(kuò)散層，由起放大作用的MOSFET電極門來拾取，電荷信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。所以這樣的 CMOS 也就完成了光電轉(zhuǎn)換、電荷電壓轉(zhuǎn)換、模擬數(shù)
圖像傳感器的結(jié)構(gòu)：CMOS圖像傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理
1. CMOS sensor內(nèi)部結(jié)構(gòu)
2.?CMOS sensor整個(gè)平面構(gòu)造圖（floorplan）
光電二極管具有正向?qū)ǚ聪蚪刂沟奶厥猓聪虻奶匦赃€有個(gè)電容的特性，當(dāng)在二極管上加反向偏置電壓時(shí)，就會(huì)給電容充電，當(dāng)電容充滿電荷之后，光子的射入會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部激發(fā)出新的電子 空穴對(duì)，與原來充電形成的電子空穴對(duì)進(jìn)行配對(duì)放電，形成光電流I_ph，光電流I_ph給右側(cè)的電容充電變成一個(gè)電壓輸出，
3.光子（Photon）與量子效率(quantum efficiency)
自然界中有不同頻率的光線，如果我們簡(jiǎn)單來說分成RGB三種頻率的光線，由于RGB的頻率不同，所載有的能量也是不同的，以藍(lán)光子為例，所載有的能量為4.41E-19焦耳，單個(gè)光子的能量E=hc/普朗克常量，那么一束光子的能量就等于所有光子能量的總和Total_Power=sum_of(all photons)。量子效率QE定義為，在一個(gè)camera sensor里面，經(jīng)過color filter透射過來的光子轉(zhuǎn)變成電荷的的效率，如果透射過來三個(gè)光子，產(chǎn)生出來一個(gè)電子空穴對(duì)，那么這個(gè)效率就是1/3.
4.與量子效率QE有關(guān)的幾個(gè)重要概念
QE是衡量某個(gè)顏色通道某個(gè)頻率/波長(zhǎng)的光子轉(zhuǎn)換成電子的效率
在不同的波長(zhǎng)上QE是不一樣的。
camera sensor可以感受近紅外的波段，這個(gè)不符合人眼視覺的感受的，需要用IR cut把近紅外的波段去除掉，否則紅色通道感光就會(huì)過強(qiáng)，這樣出來的圖像就會(huì)偏紅。
像素不能夠被一個(gè)顏色的光激發(fā)的現(xiàn)在叫crosstalk，理想情況crosstalk為0。
sensitivity感光度：同樣的光子能夠激發(fā)出的電荷
sensitivity=QE*pixel_size? ? QE越高激發(fā)出來的電荷越多，pixel_size越大激發(fā)出來的電荷越多
5.感光過程
6.讀取過程
7.動(dòng)態(tài)范圍
?
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?
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圖像傳感器的結(jié)構(gòu)：CMOS圖像傳感器的基本結(jié)構(gòu)
圖
2.1
?
CMOS
圖像傳感器結(jié)構(gòu)框圖
CMOS
圖像傳感器的像素為有源像素傳感器
APS
，每個(gè)像素中有一個(gè)光電
二極管作為基本的光電轉(zhuǎn)換元件，如圖
2.1
左上角的方框所示。在每個(gè)像素中
還包括由若干個(gè)
MOS
晶體管有源器件組成的電路，
把光子在光電二極管
PN
結(jié)
上激發(fā)的載流子電荷信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，
并由模擬開關(guān)控制光電二極管的曝光
操作和信號(hào)輸出。
在大多數(shù)陣列設(shè)計(jì)中，
像素幾何形狀采取正方形，
像素在陣列
中正交排列。像素陣列示意在圖
2.1
框圖的中央，水平排列的像素構(gòu)成行
圖像傳感器的結(jié)構(gòu)：詳解CMOS圖像傳感器的工作原理
描述
更確切地說，CMOS圖像傳感器應(yīng)當(dāng)是一個(gè)圖像系統(tǒng)。
圖像傳感器是將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的裝置，在數(shù)字電視、可視通信市場(chǎng)中有著廣泛的應(yīng)用。目前應(yīng)用廣泛的主要是CCD(Charge-Coupled Device，電荷耦合器件)與CMOS(Complementary metal Oxide Semiconductor，互補(bǔ)金屬氧化物場(chǎng)效應(yīng)管)這兩種。
其中，CMOS是目前最引人注目，且被認(rèn)為是最有發(fā)展?jié)摿Φ摹?br/>CMOS圖像傳感器是一種典型的固體成像傳感器，通常由像敏單元陣列、行驅(qū)動(dòng)器、列驅(qū)動(dòng)器、時(shí)序控制邏輯、AD轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)總線輸出接口、控制接口等幾部分組成這幾部分通常都被集成在同一塊硅片上。其工作過程一般可分為復(fù)位、光電轉(zhuǎn)換、積分、讀出幾部分。
在CMOS圖像傳感器芯片上還可以集成其他數(shù)字信號(hào)處理電路，如AD轉(zhuǎn)換器、自動(dòng)曝光量控制、非均勻補(bǔ)償、白平衡處理、黑電平控制、伽瑪校正等，為了進(jìn)行快速計(jì)算甚至可以將具有可編程功能的DSP器件與CMOS器件集成在一起，從而組成單片數(shù)字相機(jī)及圖像處理系統(tǒng)。
更確切地說，CMOS圖像傳感器應(yīng)當(dāng)是一個(gè)圖像系統(tǒng)。事實(shí)上，當(dāng)一位設(shè)計(jì)者購(gòu)買了CMOS圖像傳感器后，他得到的是一個(gè)包括圖像陣列邏輯寄存器、存儲(chǔ)器、定時(shí)脈沖發(fā)生器和轉(zhuǎn)換器在內(nèi)的全部系統(tǒng)。
CMOS圖像傳感器的工作原理詳解：
1、MOS管的像元結(jié)構(gòu)
MOS三極管和光敏二極管組成的相當(dāng)于一個(gè)像元的結(jié)構(gòu)剖面，在光積分期間，MOS三極管截止，光敏二極管隨入射光的強(qiáng)弱產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的載流子并存儲(chǔ)在源極的P．N結(jié)部位上（如下圖中的①位置）。
當(dāng)積分期結(jié)束時(shí)，掃描脈沖加在MOS三極管的柵極上，使其導(dǎo)通，光敏二極管復(fù)位到參考電位，并引起視頻電流在負(fù)載上流過，其大小與入射光強(qiáng)對(duì)應(yīng)。
MOS三極管源極P．N結(jié)起光電變換和載流子存儲(chǔ)作用，當(dāng)柵極加有脈沖信號(hào)時(shí)，視頻信號(hào)被讀出。
2、CMOS圖像傳感器陣列結(jié)構(gòu)
CMOS像敏元陣列結(jié)構(gòu)，由水平移位寄存器、垂直移位寄存器和CMOS像敏元陣列組成。
CMOS像敏元陣列結(jié)構(gòu)
（1一垂直移位寄存器：2一水平移位寄存器；3一水平掃描開關(guān)；4一垂直掃描開關(guān)；5一像敏元陣列；6一信號(hào)線；7一像敏元）
如前所述，各MOS晶體管在水平和垂直掃描電路的脈沖驅(qū)動(dòng)下起開關(guān)作用。水平移位寄存器從左至右順次地接通起水平掃描作用的MOS晶體管，也就是尋址列的作用，垂直移位寄存器順次地尋址列陣的各行。
每個(gè)像元由光敏二極管和起垂直開關(guān)作用的MOS晶體管組成，在水平移位寄存器產(chǎn)生的脈沖作用下順次接通水平開關(guān)，在垂直移位寄存器產(chǎn)生的脈沖作用下接通垂直開關(guān)，于是順次給像元的光敏二極管加上參考電壓(偏壓)。
被光照的二極管產(chǎn)生載流子使結(jié)電容放電，這就是積分期間信號(hào)的積累過程。而上述接通偏壓的過程同時(shí)也是信號(hào)讀出過程。在負(fù)載上形成的視頻信號(hào)大小正比于該像元上的光照強(qiáng)弱。
3、CMOS圖像傳感器的工作原理及流程
根據(jù)CMOS圖像傳感器的功能框圖，可發(fā)現(xiàn)CMOS圖像傳感器的工作流程主要分為以下三步。
CMOS圖像傳感器的功能框圖
第一步：外界光照射像素陣列，發(fā)生光電效應(yīng)，在像素單元內(nèi)產(chǎn)生相應(yīng)的電荷。
景物通過成像透鏡聚焦到圖像傳感器陣列上，而圖像傳感器陣列是一個(gè)二維的像素陣列，每一個(gè)像素上都包括一個(gè)光敏二極管，每個(gè)像素中的光敏二極管將其陣列表面的光強(qiáng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。
第二步：通過行選擇電路和列選擇電路選取希望操作的像素，并將像素上的電信號(hào)讀取出來。
在選通過程中，行選擇邏輯單元可以對(duì)像素陣列逐行掃描也可隔行掃描，列同理。行選擇邏輯單元與列選擇邏輯單元配合使用可以實(shí)現(xiàn)圖像的窗口提取功能。
第三步：把相應(yīng)的像素單元進(jìn)行信號(hào)處理。
行像素單元內(nèi)的圖像信號(hào)通過各自所在列的信號(hào)總線，傳輸?shù)綄?duì)應(yīng)的模擬信號(hào)處理單元以及A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像信號(hào)輸出。其中，模擬信號(hào)處理單元的主要功能是對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大處理，并且提高信噪比。
像素電信號(hào)放大后送相關(guān)雙采樣CDS電路處理，相關(guān)雙采樣是高質(zhì)量器件用來消除一些干擾的重要方法。其基本原理是由圖像傳感器引出兩路輸出，一路為實(shí)時(shí)信號(hào)，另外一路為參考信號(hào)，通過兩路信號(hào)的差分去掉相同或相關(guān)的干擾信號(hào)。
這種方法可以減少KTC噪聲、復(fù)位噪聲和固定模式噪聲FPN(FixedPatternNoise)，同時(shí)也可以降低1／f噪聲，提高了信噪比。此外，它還可以完成信號(hào)積分、放大、采樣、保持等功能。
然后信號(hào)輸出到模擬／數(shù)字轉(zhuǎn)換器上變換成數(shù)字信號(hào)輸出。
另外，為了獲得質(zhì)量合格的實(shí)用攝像頭，芯片中必須包含各種控制電路，如曝光時(shí)間控制、自動(dòng)增益控制等。為了使芯片中各部分電路按規(guī)定的節(jié)拍動(dòng)作，必須使用多個(gè)時(shí)序控制信號(hào)。為了便于攝像頭的應(yīng)用，還要求該芯片能輸出一些時(shí)序信號(hào)，如同步信號(hào)、行起始信號(hào)、場(chǎng)起始信號(hào)等。
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