CMOS图像传感器的工作原理及应用摘要：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图像传感器由于其自身的优势，目前在诸多领域中得到了广泛的应用，市场前景广阔，所以对CMOS图像传感器的研究与开发有非常高的市场价值。

本文首先介绍了CMOS传感器的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，拍照手机中的应用方式。

关键词：CMOS图像传感器、工作原理及应用现状The principle and application of CMOS image sensor Abstract:With the development of integrated circuit manufacturing technology and the continuous improvement of integrated circuit design level, based on CMOS integrated circuit manufacturing technology of CMOS image sensor due to its own advantages, the current has been widely used in many fields, wide prospect of market, so for CMOS image sensor research and development has a very high market value. At first, this paper introduces the working principle of CMOS sensor and application present situation, then describes the CMOS image sensor as yuan, structure and working principle, emphasize the imaging principle and image signal reading and processing, as well as in digital cameras, digital cameras, camera phones, the application of the way.Keywords: CMOS image sensor, the working principle and application status1引言CMOS图像传感器是一种典型的固体成像传感器，与CCD有着共同的历史渊源。

CMOS 图像传感器通常由像敏单元阵列、行驱动器、列驱动器、时序控制逻辑、AD转换器、数据总线输出接口、控制接口等几部分组成这几部分通常都被集成在同一块硅片上。

其工作过程一般可分为复位、光电转换、积分、读出几部分。

在CMOS图像传感器芯片上还可以集成其他数字信号处理电路，如AD转换器、自动曝光量控制、非均匀补偿、白平衡处理、黑电平控制、伽玛校正等，为了进行快速计算甚至可以将具有可编程功能的DSP器件与CMOS器件集成在一起，从而组成单片数字相机及图像处理系统。

目前，新型CMOS图像传感器不仅应用在数码相机，并且这项技术也广泛应用在中高端智能手机中，与我们的生活息息相关2 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2.2 CMOS图像传感器阵列结构图2-2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2-3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。

（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）图2-2 CMOS像敏元列阵结构图2-3 CMOS摄像器件原理框图2.3 CMOS图像传感器的功能结构及工作原理主要论述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2-4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2-4 CMOS图像传感器结构及信号流程图3 CMOS图像传感器应用实例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我们知道，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3-2 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。

3.3 彩信手机彩信手机也叫拍照手机．目前大都采用CMOS彩色图像传感器。

彩信手机的照相机功照由相机模组(摄像头)实现。

相机模组组成如图3-3所示。

图3-3 彩信手机相机模组组成框图相机模组属于有彩信功能的手机的基本配置，镜头和闪光灯安放在翻盖表面上。

开启面板上的照相功能键后，就可进行拍照。

被摄景物通过镜头照射到CMOS彩色图像传感器上。

CMOS彩色图像传感器将图像转换，为串行模拟脉冲信号，经A／D转换，送DSP数字信号处理器处理。

处理后的数字图像信号以YUV422的亮度和色度信号比例，送液晶屏显示。

用(OK)按键选定并拍照，图像数据存入存储器。

按(发送)键，该图像数据输送到手机的基带信号电路，与语音信号一样，调制到射频频率上发送到对方手机。

CMOS传感器被认为是拍照手机的理想解决方案，它的优点是制造成本I较CCD更低，功耗也低得多(手机可接受的功耗为80。

lOOmW)，速度快。

只是CMOS摄像头对光源的要求要高一些，也无法达到CCD那样高的分辨率，但对640×480像素分辨率(35万像素)的手机摄像头来说，CMOS已足以应付。

日本东京Y Media公司将高分辨率与低噪声技术相结合，已推出YM-3170A型CMOS传感器，该CMOS传感器基于0．251um技术设计规范，在1／2in大小的感光面积中总共有2056×1544像素阵列(其中实际有效像素为2048×1536)，每个像素的大小为3．3u m×3．3 um。

连拍速度最高能够达到120张／s。

用手机拍照，应注意景物光线必须充足。

最近500万像素的CMOS拍照手机也已投入市场，但用手机发送照片时会因数据量大，增加发送和接收时间。

随着科技的进步，CMOS图像传感器的不断发展，4100万像素的手机也已经面世，目前的移动设备主流像素水平普遍在1300万像素，相信在不久的将来，移动设备，智能手机也将取代专业的数码相机，成为大家拍照的首选。

4结束语CMOS 图像传感器正在向高灵敏度、高分辨率、高动态范围、集成化、数字化、智能化的“片上相机”解决方案方向发展。

芯片加工工艺不断发展, 从0.5 μm→0.35 μm→0.25 μm→0.18 μm, 接口电压也在不断降低, 从 5 V→3.3 V→2.5 V/3.3 V→1.8 V/3.3 V。