什么是CMOS傳感器？CMOS傳感器有什么作用？

CMOS圖像傳感器和CCD傳感器，工作原理類似。CMOS圖像傳感器并不像CCD那樣把光生電荷移至電荷電壓變化器，而是直接檢測(cè)每個(gè)感光單元下的電荷。對(duì)CMOS來(lái)說(shuō)，可以理解為把電荷電壓轉(zhuǎn)換電路集成到了每個(gè)MOS 電容上。與CMOS圖像傳感器相比，CCD具有優(yōu)良的動(dòng)態(tài)范圍、較小的背景噪聲和較高的光靈敏度。不過(guò)，CMOS傳感器對(duì)功率的要求比CCD要低很多，而且CMOS傳感器的成本比CCD的低。在一些不要求高分辨率和低背景噪聲的場(chǎng)合，CMOS用的比較多，像現(xiàn)在的中、低端手機(jī)的攝像頭，基本都采用的是CMOS圖像傳感器。分析儀器、天文觀測(cè)儀器、高檔數(shù)碼相機(jī)一般都是采用的CCD圖像傳感器。

CMOS圖像傳感器具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：1)、隨機(jī)窗口讀取能力。隨機(jī)窗口讀取操作是CMOS圖像傳感器在功能上優(yōu)于CCD的一個(gè)方面，也稱之為感興趣區(qū)域選取。此外，CMOS圖像傳感器的高集成特性使其很容易實(shí)現(xiàn)同時(shí)開多個(gè)跟蹤窗口的功能。2)、抗輻射能力?？偟膩?lái)說(shuō)，CMOS圖像傳感器潛在的抗輻射性能相對(duì)于CCD性能有重要增強(qiáng)。3)、系統(tǒng)復(fù)雜程度和可靠性。采用CMOS圖像傳感器可以大大地簡(jiǎn)化系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)。4)、非破壞性數(shù)據(jù)讀出方式。5)、優(yōu)化的曝光控制。值得注意的是，由于在像元結(jié)構(gòu)中集成了多個(gè)功能晶體管的原因，CMOS圖像傳感器也存在著若干缺點(diǎn)，主要是噪聲和填充率兩個(gè)指標(biāo)。鑒于CMOS圖像傳感器相對(duì)優(yōu)越的性能，使得CMOS圖像傳感器在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

CMOS可用來(lái)制作電腦電器的靜態(tài)隨機(jī)存取內(nèi)存、微控制器、微處理器與其他數(shù)字邏輯電路系統(tǒng)以及用于光學(xué)儀器上，如CMOS圖像傳感器。

圖像傳感器的作用是將入射光(光子)轉(zhuǎn)換為可以查看，分析或存儲(chǔ)的電信號(hào)，并且圖像傳感器可以根據(jù)結(jié)構(gòu)類型可以分為：前照式、背照式和堆棧式。

CMOS圖像傳感器的作用：

· 光電轉(zhuǎn)換：將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào);

· 電荷積聚：收集產(chǎn)生的電荷作為信號(hào)電荷;

· 信號(hào)轉(zhuǎn)移：將信號(hào)電荷移動(dòng)到檢測(cè)節(jié)點(diǎn);

· 信號(hào)檢測(cè)：將信號(hào)電荷轉(zhuǎn)換為電信號(hào)(電壓);

· 模數(shù)轉(zhuǎn)換：將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào);

ISP模塊作用：將CMOS圖像傳感器采集的原始圖像(通常為Bayer格式)經(jīng)過(guò)ISP pipeline處理流程轉(zhuǎn)換為較高質(zhì)量且可以顯示的YUV格式圖像。

CMOS傳感器芯片結(jié)構(gòu)

CMOS圖像傳感器芯片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，如圖所示。這幾部分通常都被集成在同一塊硅片上，其工作過(guò)程一般可分為復(fù)位、光電轉(zhuǎn)換、積分、讀出幾部分。

首先，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。

行選擇邏輯單元根據(jù)需要，選通相應(yīng)的行像素單元。行像素單元內(nèi)的圖像信號(hào)通過(guò)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。其中的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。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。

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。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。

基本參數(shù)

· 傳感器尺寸：傳感器對(duì)角線的長(zhǎng)度(英寸)。傳感器尺寸越大，成像系統(tǒng)尺寸就越大，可以捕獲的光子就越多，感光性能越好，信噪比越低;

· 填充系數(shù)：像素中感光區(qū)域面積與像素面積的比率(有效像素面積/總像素面積);或者微透鏡的覆蓋率;

· 像素總數(shù)和有效像素?cái)?shù)：像素總數(shù)是指所有像素的總和，像素總數(shù)是衡量CMOS圖像傳感器的主要技術(shù)指標(biāo)之一。CMOS圖像傳感器的總體像素中被用來(lái)進(jìn)行有效的光電轉(zhuǎn)換并輸出圖像信號(hào)的像素為有效像素。顯而易見，有效像素總數(shù)隸屬于像素總數(shù)集合。有效像素?cái)?shù)目直接決定了CMOS圖像傳感器的能力;

· 分辨率：圖像傳感器對(duì)景物中明暗細(xì)節(jié)的分辨能力，通常用調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)來(lái)表示，也可以用空間頻率(Ip/mm)表示;

· 像元尺寸：也就是像素的大小，是指芯片像元陣列上的每個(gè)像素的實(shí)際物理尺寸，像元尺寸從某種程度上反映了芯片的對(duì)光的響應(yīng)能力，像元尺寸越大，能夠接收到的光子數(shù)量越多，在同樣的光照條件和曝光時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的電荷數(shù)量越多。對(duì)于弱光成像而言，像元尺寸是芯片靈敏度的一種表征。

· 快門類型：全局快門和滾動(dòng)快門

· 量子效率(QE)：是衡量某個(gè)顏色通道或者某個(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。

· 靈敏度：圖像傳感器對(duì)入射光功率的響應(yīng)能力，CMOS采用電流靈敏度來(lái)反映響應(yīng)能力，電流靈敏度是單位光功率所產(chǎn)生的信號(hào)電流。

· 滿阱容量：光子照射到圖像傳感器上時(shí)，被像素平面吸收的光子會(huì)被轉(zhuǎn)換為電子，這些電荷會(huì)在像素勢(shì)阱中積蓄，達(dá)到積累上限時(shí)，就不能進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，將積累的最大電子數(shù)定義為像素的飽和電子容量，CMOS在此時(shí)的輸出數(shù)字信號(hào)成為飽和輸出。因此當(dāng)噪聲一定時(shí)，滿阱容量越大，接收到的電子就越多，電訊號(hào)就越強(qiáng)，信噪比就越高，得到的圖像就越好。

· 動(dòng)態(tài)范圍：由CMOS圖像傳感器的信號(hào)處理能力和噪聲決定，反映了CMOS圖像傳感器的工作范圍，是輸出端信號(hào)峰值電壓與均方根噪聲電壓的比值。

· 信噪比：是信號(hào)電壓對(duì)于噪聲電壓的比值，信噪比的單位為dB，信噪比越大說(shuō)明對(duì)噪聲的控制越好。