认识CMOS图像传感器

一.CMOS Sensor的发展历程：

20世纪60，70年代，CCD图像传感器和CMOS图像传感器几乎同时起步。但是，直到90年代初技术才逐步成熟，走进消费领域。

CCD图像传感器由于灵敏度高、噪声低，逐步成为图像传感器的主流。但由于工艺上的原因，光敏感元件和信号处理电路不能集成在同一芯片上，造成由CCD图像传感器组装的摄像机体积大、功耗大。

CMOS图像传感器以其体积小、功耗低在图像传感器市场上独树一帜。但最初市场上的CMOS图像传感器，一直没有摆脱光照灵敏度低和图像分辨率低的缺点，图像质量还无法与CCD图像传感器相比。

世界上第一台数码相机

1975年，柯达的工程师史蒂芬·沙森发明世界上第一台数码相机。这台数码相机使用磁带作为存储介质，拥有最高 1 万像素（100x100）的 CCD 黑白感光元件，拍完一张照片，写入数据的时间就要长达 23 秒。拍好以后需要把磁带拿下来，拿到播放设备上才能够现实照片。（PS: 彩色胶片是1935由柯达发明，五，六十年代才进入中国）

数码相机走进普通消费者：

二 CMOS 和 CCD对比优劣势：

三.CMOS 图像传感器的工作原理

CMOS图像传感器能将光电检测器、电荷/电压转换单元、复位和选择晶体管、电压放大器，以及数/模（ADC）转换电路集成在一块芯片里。整个阵列使用简单的X-Y排位技术，输出信号由列和行读取电路构成，这些外围电路也可以集成在芯片内，因此CMOS图像传感器输出的数字信号可以直接进行处理。

由于CMOS传感器的每个像素由四个晶体管与一个感光二极管构成（含放大器与A/D转换电路），使得每个像素的感光区域远小于像素本身的表面积。换句话说，集成在表面的各种晶体管减少了像素元件的有效表面积，降低了“封装密度”，使得40%~50%的入射光被反射。

CMOS图像传感器由光电二极管、复位管、源极跟随器、有源放大管和行选读出晶体管。工作原理图：光照射到光电二极管，产生电荷。这些电荷通过源极跟随器V2缓冲输出；当读出管V3选通时，电荷通过列总线输出。读出管V3关闭，复位管V1打开对光电二极管复位。

基本电路如图1所示。从下图可以看出，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上，当复位脉冲出现时，V1导通，光电二极管被瞬间复位；而当复位脉冲消失后，V1截止，光敏二极管开始积分光信号。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。该信号还是电荷信号，需要通过A/D，转换成数字信号。再传给DSP处理器。

四.卷帘式CMOS 图像传感器阵列框图：

五.全局曝光CMOS 图像传感器的功能框图：

六 卷帘式曝光和全局曝光的区别：

1）卷帘式曝光 (electronic rolling shutter)：

卷帘式传感器在曝光时并不是所有的像素同时感光的，而是每行像素按照顺序依次感光。对任一像素，在曝光开始时现将其清零，然后等待曝光时间过后，将信号值读出。因为数据的读出是串行的，所以清零/曝光/读出也只能逐行顺序进行，通常是从上至下，对高速运动的物体会产生明显的变形。例如，如果数据的读出速度是每秒20帧，那么图像顶部和底部的曝光先后差异将最多可能达50毫秒。目前大多数CMOS传感器采用这种曝光方式。

2）全局曝光(global shutter/snapshot shutter)：

全局快门的工作方式就想我们通常想象的那样，所有的像素同时感光，在任意一个时间点，所有的像素都接受相同的光量。全局曝光传感器最主要的区别是在每个像素处增加了采样保持单元。在曝光前整个图像重置；像素可以在曝光时间积累电荷；曝光结束后，每个像素积累的电荷同时传送到屏蔽光（对光不敏感）的存储区域；然后信号从此区域读出。因所有像素同时重置，曝光积分同样的间隔，并同时传输到光屏蔽存储区域，故移动物体来说没有变形。在指定时间达到后对数据进行采样然后顺序读出，这样虽然后读出的像素仍然在进行曝光，但存储在采样保持单元中的数据却并未改变。这种机构的主要缺点在于增加了每个像素的元件数目，使得填充系数降低，所以很难设计出高像素数的传感器，另外采样保持单元还引入了新的噪音源。目前，具有全局快门的CMOS传感器，主要用于工业相机、机器视觉和高速摄影等领域。

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