CMOS圖像傳感器工作過(guò)程: 復(fù)位、光電轉(zhuǎn)換、積分、讀出幾部分介紹

CMOS圖像傳感器是一種典型的固體成像傳感器，與CCD有著共同的歷史淵源。CMOS圖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(guò)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)。1963年Morrison發(fā)表了可計(jì)算傳感器，這是一種可以利用光導(dǎo)效應(yīng)測(cè)定光斑位置的結(jié)構(gòu)，成為CMOS圖像傳感器發(fā)展的開(kāi)端。1995年低噪聲的CMOS有源像素傳感器單片數(shù)字相機(jī)獲得成功。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(chēng)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(kāi)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。美國(guó)高清高速CMOS圖像傳感器DYNAMAX-11：潘納維申影像這顆新的傳感器含有的全局電子曝光快門(mén)技術(shù)，極大地改善了工業(yè)成像在室內(nèi)和室外的應(yīng)用。這顆新發(fā)布的DYNAMAX-11圖像傳感器適合用于機(jī)器視覺(jué)、安防監(jiān)控、智能交通、生命科學(xué)、生物醫(yī)療、科學(xué)影像、高清錄像、電視廣播等工業(yè)成像領(lǐng)域。這顆新發(fā)布的DYNAMAX-11圖像傳感器含有320萬(wàn)像素，像素大小為5.0?m × 5.0?m。

DYNAMAX-11具有以下一些特點(diǎn)：1：高靈敏度，低噪聲。DYNAMAX-11在卷簾曝光的模式下，可以實(shí)現(xiàn)小于4 electrons rms噪聲，在全局曝光的模式下，可以實(shí)現(xiàn)小于8 electrons rms噪聲。2：寬的光譜響應(yīng)范圍，覆蓋從可見(jiàn)光到紅外。3： DYNAMAX-11具有快速的輸出能力，可以達(dá)到全尺寸3.2M輸出時(shí)，60幀/秒，和HDTV1920*1080輸出時(shí)，72幀/秒的輸出速度。4：高動(dòng)態(tài)模式下的動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)120分貝.DYNAMAX-11采用了CLCC封裝，非常便于客戶(hù)的安裝焊接和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。DYNAMAX-11 適合3/4英寸的光學(xué)尺寸。同時(shí)，DYNAMAX-11對(duì)應(yīng)高清電視格式要求(HDTV,1080i,16:9)，也設(shè)計(jì)了感興趣區(qū)域的2/3英寸的200萬(wàn)像素光學(xué)格式(對(duì)角線11毫米)。DYNAMAX-11彩色和黑白兩種芯片的樣片正提供給PVI的客戶(hù).

CMOS 圖像傳感器是一種光學(xué)傳感器，是攝像頭模組的核心元器件，對(duì)攝像頭的光線感知和圖像質(zhì)量起到了關(guān)鍵的影響。CMOS 圖像傳感器首先通過(guò)感光單元陣列將所獲取對(duì)象景物的亮度和色彩等信息由光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào);再將電信號(hào)按照順序進(jìn)行讀出并通過(guò) ADC(Analog Digital Convertor)數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào);最后將數(shù)字信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，并通過(guò)傳輸接口將圖像信息傳送給平臺(tái)接收。

CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)圖像傳感器，中文學(xué)名為互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體圖像傳感器，是一種典型的固體成像傳感器，其本質(zhì)是將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的器件。隨著科技的進(jìn)步，CMOS圖像傳感器在多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，包括但不限于數(shù)碼相機(jī)、智能手機(jī)、機(jī)器視覺(jué)、安防監(jiān)控、智能交通等。以下是對(duì)CMOS圖像傳感器的詳細(xì)簡(jiǎn)述，內(nèi)容將涵蓋其基本原理、結(jié)構(gòu)、優(yōu)勢(shì)、應(yīng)用領(lǐng)域及發(fā)展趨勢(shì)等方面。

一、基本原理

CMOS圖像傳感器的工作原理主要基于光電效應(yīng)，即當(dāng)光照射到半導(dǎo)體材料上時(shí)，光子被半導(dǎo)體材料吸收并激發(fā)出電子，從而產(chǎn)生電信號(hào)。具體來(lái)說(shuō)，CMOS圖像傳感器的工作過(guò)程可以分為以下幾個(gè)階段：

復(fù)位階段 ：在這個(gè)階段，像素單元內(nèi)的電容被充電至一定電壓，為后續(xù)的光電轉(zhuǎn)換做準(zhǔn)備。

光電轉(zhuǎn)換階段 ：當(dāng)光線照射到像素單元的光敏二極管上時(shí)，光敏二極管將光能轉(zhuǎn)換為電能，產(chǎn)生光電流，導(dǎo)致電容上的電荷發(fā)生變化。

積分階段 ：在固定的時(shí)間間隔內(nèi)，光電流持續(xù)對(duì)電容進(jìn)行充放電，電容上存儲(chǔ)的電荷量與光照強(qiáng)度成正比。

讀出階段 ：通過(guò)行選擇邏輯和列選擇邏輯，逐行或隔行讀取像素單元內(nèi)電容上的電荷電壓，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)輸出。

二、結(jié)構(gòu)組成

CMOS圖像傳感器通常由以下幾個(gè)主要部分組成：

像敏單元陣列 ：由大量的像素單元組成，每個(gè)像素單元包含一個(gè)光敏二極管和相關(guān)的電路元件，用于將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。

行驅(qū)動(dòng)器和列驅(qū)動(dòng)器 ：負(fù)責(zé)控制像素單元的選通和信號(hào)的讀出。

時(shí)序控制邏輯 ：產(chǎn)生各種時(shí)序信號(hào)，確保各部分電路按規(guī)定的節(jié)拍動(dòng)作。

AD轉(zhuǎn)換器 ：將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，以便于后續(xù)的數(shù)字信號(hào)處理。

數(shù)據(jù)總線輸出接口和控制接口 ：用于與外部設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和控制信號(hào)傳輸。

此外，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，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，組成單片數(shù)字相機(jī)及圖像處理系統(tǒng)。

三、優(yōu)勢(shì)

相比于傳統(tǒng)的CCD(Charge-Coupled Device，電荷耦合器件)圖像傳感器，CMOS圖像傳感器具有以下幾個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)：

功耗低 ：CMOS圖像傳感器采用逐行掃描的方式讀取圖像數(shù)據(jù)，只有在被讀取的像素行才會(huì)消耗能量，因此功耗較低。而CCD圖像傳感器則需要整個(gè)陣列同時(shí)工作，功耗相對(duì)較高。

體積小 ：CMOS圖像傳感器的制造工藝與標(biāo)準(zhǔn)CMOS集成電路工藝兼容，可以很容易地實(shí)現(xiàn)高度集成，從而減小體積。

數(shù)據(jù)處理速度快 ：CMOS圖像傳感器可以直接在芯片內(nèi)部進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理，無(wú)需額外的A/D轉(zhuǎn)換器和信號(hào)處理電路，因此數(shù)據(jù)處理速度更快。

成本低 ：由于CMOS圖像傳感器采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS集成電路工藝制造，生產(chǎn)成本相對(duì)較低。

抗輻射能力強(qiáng) ：CMOS圖像傳感器在抗輻射性能方面表現(xiàn)出色，適合在輻射較強(qiáng)的環(huán)境中使用。

四、應(yīng)用領(lǐng)域

CMOS圖像傳感器憑借其優(yōu)越的性能和廣泛的應(yīng)用前景，在多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用：

數(shù)碼相機(jī)和智能手機(jī) ：隨著智能手機(jī)和數(shù)碼相機(jī)的普及，CMOS圖像傳感器已成為這些設(shè)備中不可或缺的組件。高像素、低噪聲、高動(dòng)態(tài)范圍的CMOS圖像傳感器為用戶(hù)提供了更好的拍照體驗(yàn)。

機(jī)器視覺(jué) ：在工業(yè)自動(dòng)化和機(jī)器人技術(shù)中，CMOS圖像傳感器被廣泛應(yīng)用于機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)。通過(guò)捕捉和處理圖像數(shù)據(jù)，機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)物體的識(shí)別、定位、跟蹤等功能。

安防監(jiān)控 ：CMOS圖像傳感器在安防監(jiān)控領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。高清晰度的CMOS圖像傳感器可以捕捉到更加清晰、細(xì)致的圖像信息，為安防監(jiān)控提供了有力的支持。

智能交通 ：在智能交通系統(tǒng)中，CMOS圖像傳感器被用于車(chē)輛識(shí)別、交通流量監(jiān)測(cè)、違章抓拍等方面。通過(guò)實(shí)時(shí)捕捉和處理道路圖像信息，智能交通系統(tǒng)可以提高交通管理效率、減少交通事故的發(fā)生。

生命科學(xué)和生物醫(yī)療 ：在生命科學(xué)和生物醫(yī)療領(lǐng)域，CMOS圖像傳感器被用于顯微鏡成像、細(xì)胞培養(yǎng)觀察等方面。高靈敏度和高分辨率的CMOS圖像傳感器可以捕捉到更加精細(xì)的細(xì)胞結(jié)構(gòu)和生物過(guò)程信息。

五、發(fā)展趨勢(shì)

隨著科技的不斷發(fā)展，CMOS圖像傳感器也在不斷進(jìn)步和完善。未來(lái)，CMOS圖像傳感器的發(fā)展趨勢(shì)主要包括以下幾個(gè)方面：

更高像素和更高分辨率 ：為了滿(mǎn)足用戶(hù)對(duì)更高清晰度圖像的需求，CMOS圖像傳感器的像素和分辨率將不斷提高。

更低噪聲和更高動(dòng)態(tài)范圍 ：通過(guò)優(yōu)化像素結(jié)構(gòu)和信號(hào)處理算法，CMOS圖像傳感器的噪聲將進(jìn)一步降低，動(dòng)態(tài)范圍將進(jìn)一步擴(kuò)大。

更強(qiáng)大的集成功能 ：CMOS圖像傳感器將集成更多的數(shù)字信號(hào)處理功能，如自動(dòng)曝光控制、自動(dòng)對(duì)焦、圖像穩(wěn)定、高級(jí)色彩校正等，以實(shí)現(xiàn)更高級(jí)別的圖像質(zhì)量?jī)?yōu)化和智能化處理。

低功耗設(shè)計(jì) ：隨著物聯(lián)網(wǎng)(IoT)和可穿戴設(shè)備的興起，對(duì)低功耗圖像傳感器的需求日益增長(zhǎng)。未來(lái)的CMOS圖像傳感器將采用更先進(jìn)的低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)，如動(dòng)態(tài)電壓和頻率縮放(DVFS)、電源門(mén)控和時(shí)鐘門(mén)控等，以延長(zhǎng)設(shè)備的使用時(shí)間。

三維成像與深度感知 ：為了實(shí)現(xiàn)更豐富的視覺(jué)體驗(yàn)，三維成像和深度感知技術(shù)正在快速發(fā)展。CMOS圖像傳感器將結(jié)合結(jié)構(gòu)光、ToF(Time-of-Flight)或雙目立體視覺(jué)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高精度的三維圖像重建和深度信息獲取，為AR/VR、自動(dòng)駕駛、機(jī)器人導(dǎo)航等領(lǐng)域提供強(qiáng)大支持。

智能化與集成AI ：隨著人工智能(AI)技術(shù)的不斷發(fā)展，CMOS圖像傳感器將越來(lái)越智能化。通過(guò)在芯片上集成AI處理單元或采用AI算法優(yōu)化圖像處理流程，CMOS圖像傳感器將能夠?qū)崟r(shí)識(shí)別圖像中的物體、人臉、場(chǎng)景等，并自動(dòng)調(diào)整拍攝參數(shù)以獲得最佳圖像效果。這種集成AI的CMOS圖像傳感器將極大地提升設(shè)備的智能化水平和用戶(hù)體驗(yàn)。

柔性與可穿戴應(yīng)用 ：為了滿(mǎn)足可穿戴設(shè)備和柔性電子產(chǎn)品的需求，CMOS圖像傳感器也將向柔性化方向發(fā)展。通過(guò)采用特殊的材料和技術(shù)，如柔性基板、微納加工技術(shù)等，可以制造出可彎曲、可拉伸的CMOS圖像傳感器，以適應(yīng)各種復(fù)雜的應(yīng)用場(chǎng)景。

量子點(diǎn)增強(qiáng)CMOS圖像傳感器 ：量子點(diǎn)技術(shù)作為一種新興的材料技術(shù)，具有優(yōu)異的光電轉(zhuǎn)換性能和可調(diào)諧的光譜響應(yīng)特性。將量子點(diǎn)材料應(yīng)用于CMOS圖像傳感器中，可以顯著提升其光譜分辨率、靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍等性能，為科學(xué)研究、醫(yī)學(xué)影像等領(lǐng)域提供更加精細(xì)的圖像信息。

多光譜與超光譜成像 ：除了傳統(tǒng)的可見(jiàn)光成像外，CMOS圖像傳感器還可以擴(kuò)展到多光譜和超光譜成像領(lǐng)域。通過(guò)集成多個(gè)不同波段的濾光片或采用光譜分解技術(shù)，CMOS圖像傳感器可以同時(shí)捕獲多個(gè)光譜通道的圖像信息，為遙感探測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、農(nóng)業(yè)評(píng)估等領(lǐng)域提供更加全面的數(shù)據(jù)支持。

標(biāo)準(zhǔn)化與模塊化設(shè)計(jì) ：隨著CMOS圖像傳感器市場(chǎng)的不斷擴(kuò)大和競(jìng)爭(zhēng)的加劇，標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化設(shè)計(jì)將成為未來(lái)發(fā)展的重要趨勢(shì)。通過(guò)制定統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和接口規(guī)范，可以促進(jìn)不同廠商之間的產(chǎn)品兼容性和互操作性;同時(shí)，模塊化設(shè)計(jì)可以簡(jiǎn)化產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)過(guò)程，降低生產(chǎn)成本并提高生產(chǎn)效率。

綜上所述，CMOS圖像傳感器作為現(xiàn)代成像技術(shù)的重要組成部分，正在不斷向更高性能、更低功耗、更智能化和更靈活多樣的方向發(fā)展。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和應(yīng)用的不斷拓展，CMOS圖像傳感器將在更多領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，推動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展和進(jìn)步。