CMOS图像传感器工作原理和应用姓名：学院：班级：组号：日期：2014年12月9日摘要随着集成电路制造工艺技术的发展和集成电路设计水平的不断提高，基于CMOS集成电路工艺技术制造的CMOS图像传感器由于其集成度高、功耗低、体积小、工艺简单、成本低且开发周期较短等优势，目前在诸多领域得到了广泛的应用，特别是数码产品如数码相机、照相手机的图像传感器应用方面，市场前景广泛，因此对CMOS图像传感器的研究与开发有着非常高的市场价值。

本文首先介绍了CMOS图像传感器的发展历程和工作原理及应用现状。

随后叙述了CMOS图像传感器的像元、结构及工作原理，着重说明了成像原理和图像信号的读取和处理过程，以及在数字摄像机，数码相机，彩信手机中的应用方式。

一、CMOS图像传感器的发展历史上世纪60年代末期，美国贝尔实验室提出固态成像器件概念：互补金属氧化物半导体图像传感器CMOS —Complementary Metal Oxide Semiconductor电荷耦合器件图像传感器（CCD）CMOS与CCD图像传感器的研究几乎是同时起步，固体图像传感器得到了迅速发展。

CMOS图像传感器：由于受当时工艺水平的限制，图像质量差、分辨率低、噪声降不下来，因而没有得到重视和发展。

CCD图像传感器：光照灵敏度高、噪音低、像素少等优点一直主宰着图像传感器市场。

由于集成电路设计技术和工艺水平的提高，CMOS图像传感器过去存在的缺点，现在都可以找到办法克服，而且它固有的优点更是CCD器件所无法比拟的，因而它再次成为研究的热点。

1970年,CMOS图像传感器在NASA的喷气推进实验室JPL制造成功，80年代末，英国爱丁堡大学成功试制出了世界第一块单片CMOS型图像传感器件，1995年像元数为（128×128）的高性能CMOS 有源像素图像传感器由喷气推进实验室首先研制成功。

1997年英国爱丁堡VLSI Version公司首次实现了CMOS图像传感器的商品化。

2000年日本东芝公司和美国斯坦福大学采用0.35mm技术开发的CMOS-APS，成为开发超微型CMOS摄像机的主流产品。

2000年9月美国Foveon和国家半导体公司采用0.18mm CMOS工艺开发出1600万像素（4096×4096）CMOS图像传感器。

到目前为止, 在开发CMOS图象传感器中所采用的关键技术可归纳如下：(1) 相关双取样 (CD ) 电路技术；(2) 微透镜阵列制备技术；(3) 彩色滤波器阵列技术；(4) 数字信号处理 (DSP) 技术；(5) 抑制噪声电路技术；(6) 模拟数字转换 (A/D ) 技术；(7) 亚微米和深亚微米光刻技术。

二、CMOS图像传感器相关技术2.1像元结构和工作原理CMOS图像传感器的光电转换原理与CCD基本相同，其光敏单元受到光照后产生光生电子。

而信号的读出方法却与CCD不同，每个CMOS源像素传感单元都有自己的缓冲放大器，而且可以被单独选址和读出。

图2-1上部给出了MOS三极管和光敏二极管组成的相当于一个像元的结构剖面，在光积分期间，MOS三极管截止，光敏二极管随入射光的强弱产生对应的载流子并存储在源极的P．N结部位上[1]。

当积分期结束时，扫描脉冲加在MOS三极管的栅极上，使其导通，光敏二极管复位到参考电位，并引起视频电流在负载上流过，其大小与入射光强对应。

图2-1下部给出了-个具体的像元结构，由图可知，MOS三极管源极P．N结起光电变换和载流子存储作用，当栅极加有脉冲信号时，视频信号被读出。

图2-l 光敏二极管和CMOS三极管组成的光电转换及光电存储元件和开关模型如果将上述的多个像元集成在一块，便可以构成自扫描CMOS型一维摄像传感器。

2.2 CMOS图像传感器阵列结构图2-3所示的是CMOS像敏元阵列结构，它由水平移位寄存器、垂直移位寄存器和CMOS像敏元阵列组成。

图2-4是CMOS摄像器件的原理框图。

如前所述，各MOS 晶体管在水平和垂直扫描电路的脉冲驱动下起开关作用。

水平移位寄存器从左至右顺次地接通起水平扫描作用的MOS晶体管，也就是寻址列的作用，垂直移位寄存器顺次地寻址列阵的各行。

每个像元由光敏二极管和起垂直开关作用的MOS晶体管组成，在水平移位寄存器产生的脉冲作用下顺次接通水平开关，在垂直移位寄存器产生的脉冲作用下接通垂直开关，于是顺次给像元的光敏二极管加上参考电压(偏压)。

被光照的二极管产生载流子使结电容放电，这就是积分期间信号的积累过程。

而上述接通偏压的过程同时也是信号读出过程。

在负载上形成的视频信号大小正比于该像元上的光照强弱。

图2-3 CMOS像敏元列阵结构图2-4 CMOS摄像器件原理框图1一垂直移位寄存器：2一水平移位寄存器；3一水平扫描开关；4一垂直扫描开关；5一像敏元阵列；6一信号线；7一像敏元2.3 CMOS图像传感器的功能结构及工作原理本节主要论述CMOS图像传感器采集图像的过程及CMOS图像传感器的读出电路。

如图2-10所示，给出了CMOS图像传感器结构框图信号流程图，首先，景物通过成像透镜聚焦到图像传感器阵列上，而图像传感器阵列是一个二维的像素阵列，每一个像素上都包括一个光敏二极管，每个像素中的光敏二极管将其阵列表面的光强转换为电信号，然后通过行选择电路和列选择电路选取希望操作的像素，并将像素上的电信号读取出来，放大后送相关双采样CDS电路处理，相关双采样是高质量器件用来消除一些干扰的重要方法，其基本原理是由图像传感器引出两路输出，一路为实时信号，另外一路为参考信号，通过两路信号的差分去掉相同或相关的干扰信号，这种方法可以减少KTC噪声、复位噪声和固定模式噪声FPN(Fixed Pattern Noise)，同时也可以降低1／f噪声，提高了信噪比[12] 13]，此外，它还可以完成信号积分、放大、采样、保持等功能。

然后信号输出到模拟／数字转换器上变换成数字信号输出。

图2-10 CMOS图像传感器结构及信号流程图三、CMOS图像传感器应用3.1 数字摄像机现在市场上数字摄像机的品种已经很多了，多数使用CMOS彩色图像传感器制成，可以是线型图像传感器，也可以是面型图像传感器。

其结构图如图3-1所示。

图3-1 数字摄像机基本结构对变化的外界景物连续拍摄图片，只要拍摄速度超过24幅／s，再按同样的速度播放这些图片，可以重现变化的外界景物，这是利用了人眼的视觉暂留原理。

外界景物通过镜头照射到COMS彩色图像传感器上，CMOS彩色图像传感器在扫描电路的控制下，可将变化的外界景物以25幅／s图像的速度转换为串行模拟脉冲信号输出。

该串行模拟脉冲信号经A／D转换器转换为数字信号，由于信号量很大，所以还要进行信号数据压缩。

压缩后的信号数据可存储在存储卡上，日本松下最新推出的P2存储卡容量可达64GB，也可以存储在专用的数码录像磁带上。

数字摄像机使用2／3in 57万像素(摄像区域为33万像素)的高精度CMOS彩色图像传感器芯片。

3.2 数码相机数码相机的结构与数字摄像机相似，只不过数码相机拍摄的是静止图像。

数码相机的基本结构如图3-2所示。

图3-1 数码相机基本结构变化的外界景物通过镜头照射到CMOS彩色图像传感器上，当使用者感到图像满意时，可由取景器电路发出信号锁定，再由CMOS彩色图像传感器转换为串行模拟脉冲信号输出。

该串行模拟脉冲信号由放大器放大，再由A／D转换器转换为数字信号，存储在PCMCIA卡(个人电脑存储卡国际接口标准)上。

该存储卡上的图像数据可送微型计算机显示和保存。

A／D转换器输出的数字图像信号也可由串行口直接送微型计算机显示和保存。

数码相机通常被划分为高端(400万像素以上)、中端(330万像素、210万像素)与低端(百万像素以下)三种产品。

中端数码相机使用l／2in 330万像素(有效像素为2048×1536)的CMOS彩色图像传感器，芯片面积为35mm胶片的1/5．35。

现在已有中、高端数码相机使用的CMOS彩色图像传感器推出。

2/3in CMOS芯片830万像素(有效像素为3264×2448)，可输如300dpi(每英寸点数)的l .88in x8.16in幅面的相片现。

在已有1400万像素的高端数码相机。

3.3 CMOS数字摄像机美国Omni Vison公司推出的由OV7610型CMOS彩色数字图像芯片和OV511型高级摄像机以及USB接口芯片所组成的USB摄像机，其分辨率高达640 x 480，适用于通过通用串行总线传输的视频系统。

OV511型高级摄像机的推出，可使得PC机能以更加实时的方法获取大量视频信息，其压缩芯片的压缩比可以达到7:1，从而保证了图像传感器到PC机的快速图像传输。

对于CIF图像格式，OV511型可支持高达30帧/秒的传输速率、减少了低带宽应用中通常会出现的图像跳动现象。

OV511型作为高性能的USB接口的控制器，它具有足够的灵活性，适合包括视频会议、视频电子邮件、计算机多媒体和保安监控等场合应用。

其他领域应用CMOS图像传感器是一种多功能传感器，由于它兼具CCD图像传感器的性能，因此可进入CCD的应用领域，但它又有自己独特的优点，所以开拓了许多新的应用领域。

除了上述介绍的主要应用之外，CMOS图像传感器还可应用于数字静态摄像机和医用小型摄像机等。

例如，心脏外科医生可以在患者胸部安装一个小“硅眼”，以便在手术后监视手术效果，CCD就很难实现这种应用。

四、CMOS图像传感器的未来发展趋势目前 CMOS 图像传感器的研究热点主要有以下几个方面:(1)多功能、智能化。

传统的图像传感器仅局限于获取被摄对象的图像, 图像的传输和处理需要单独的硬件和软件来完成。

由于 CMOS 图像传感器在系统集成上的优点, 可以从系统级水平来设计芯片。

如可以在芯片内集成相应的功能部件应用于特定领域, 如 Transchip 公司开发的高质量手机用摄像机,内部集成了 ISP, 并整合了 JPEG 图像压缩功能。

也可以从通用角度考虑, 在芯片内部集成通用微处理器(如 Trimedia Processor)。

为了消除数字图像传输的瓶颈, 还可以将高速图像传输技术( 如 Firewire、USB、基于 LVDS 的高速并行传输) 集成到同一块芯片上,形成片上系统型数字相机 (Digital Camera System onChip) 和智能 CMOS 图像传感器 (Intelligent CMOSImage Sensor)。

斯坦福大学的 PDC(ProgrammableDigital Camera) 研究小组和一些专业厂商合作, 在新的图像处理算法、体系结构、电路设计以及单片 PDC的研究方面取了一些令人瞩目的果。