一.CMOS Sensor的發(fā)展歷程：

20世紀(jì)60，70年代，CCD圖像傳感器和CMOS圖像傳感器幾乎同時(shí)起步。但是，直到90年代初技術(shù)才逐步成熟，走進(jìn)消費(fèi)領(lǐng)域。 ? ?? CCD圖像傳感器由于靈敏度高、噪聲低，逐步成為圖像傳感器的主流。但由于工藝上的原因，光敏感元件和信號(hào)處理電路不能集成在同一芯片上，造成由CCD圖像傳感器組裝的攝像機(jī)體積大、功耗大。 CMOS圖像傳感器以其體積小、功耗低在圖像傳感器市場(chǎng)上獨(dú)樹(shù)一幟。但最初市場(chǎng)上的CMOS圖像傳感器，一直沒(méi)有擺脫光照靈敏度低和圖像分辨率低的缺點(diǎn)，圖像質(zhì)量還無(wú)法與CCD圖像傳感器相比。 世界上第一臺(tái)數(shù)碼相機(jī) ????? 1975年，柯達(dá)的工程師史蒂芬·沙森發(fā)明世界上第一臺(tái)數(shù)碼相機(jī)。這臺(tái)數(shù)碼相機(jī)使用磁帶作為存儲(chǔ)介質(zhì)，擁有最高 1 萬(wàn)像素（100x100）的 CCD 黑白感光元件，拍完一張照片，寫(xiě)入數(shù)據(jù)的時(shí)間就要長(zhǎng)達(dá) 23 秒。拍好以后需要把磁帶拿下來(lái)，拿到播放設(shè)備上才能夠現(xiàn)實(shí)照片。（PS: 彩色膠片是1935由柯達(dá)發(fā)明，五，六十年代才進(jìn)入中國(guó)）

?數(shù)碼相機(jī)走進(jìn)普通消費(fèi)者：

二 CMOS 和 CCD對(duì)比優(yōu)劣勢(shì)：

?三.CMOS 圖像傳感器的工作原理

? ?? CMOS圖像傳感器能將光電檢測(cè)器、電荷/電壓轉(zhuǎn)換單元、復(fù)位和選擇晶體管、電壓放大器，以及數(shù)/模（ADC）轉(zhuǎn)換電路集成在一塊芯片里。整個(gè)陣列使用簡(jiǎn)單的X-Y排位技術(shù)，輸出信號(hào)由列和行讀取電路構(gòu)成，這些外圍電路也可以集成在芯片內(nèi)，因此CMOS圖像傳感器輸出的數(shù)字信號(hào)可以直接進(jìn)行處理。

? ?? 由于CMOS傳感器的每個(gè)像素由四個(gè)晶體管與一個(gè)感光二極管構(gòu)成（含放大器與A/D轉(zhuǎn)換電路），使得每個(gè)像素的感光區(qū)域遠(yuǎn)小于像素本身的表面積。換句話說(shuō)，集成在表面的各種晶體管減少了像素元件的有效表面積，降低了“封裝密度”，使得40%~50%的入射光被反射。

? ? CMOS圖像傳感器由光電二極管、復(fù)位管、源極跟隨器、有源放大管和行選讀出晶體管。 工作原理圖：光照射到光電二極管，產(chǎn)生電荷。這些電荷通過(guò)源極跟隨器V2緩沖輸出；當(dāng)讀出管V3選通時(shí)，電荷通過(guò)列總線輸出。讀出管V3關(guān)閉，復(fù)位管V1打開(kāi)對(duì)光電二極管復(fù)位。?

? ? 基本電路如圖1所示。從下圖可以看出，場(chǎng)效應(yīng)管V1構(gòu)成光電二極管的負(fù)載，它的柵極接在復(fù)位信號(hào)上，當(dāng)復(fù)位脈沖出現(xiàn)時(shí)，V1導(dǎo)通，光電二極管被瞬間復(fù)位；而當(dāng)復(fù)位脈沖消失后，V1截止，光敏二極管開(kāi)始積分光信號(hào)。其中，復(fù)位脈沖首先來(lái)到，V1導(dǎo)通，光電二極管復(fù)位；復(fù)位脈沖消失后，光電二極管進(jìn)行積分；積分結(jié)束后，V3管導(dǎo)通，信號(hào)輸出。該信號(hào)還是電荷信號(hào)，需要通過(guò)A/D，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。再傳給DSP處理器。

四.卷簾式CMOS 圖像傳感器陣列框圖：

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五.全局曝光CMOS 圖像傳感器的功能框圖：

?六 卷簾式曝光和全局曝光的區(qū)別：

1）卷簾式曝光 (electronic?rolling?shutter)：

????? 卷簾式傳感器在曝光時(shí)并不是所有的像素同時(shí)感光的，而是每行像素按照順序依次感光。對(duì)任一像素，在曝光開(kāi)始時(shí)現(xiàn)將其清零，然后等待曝光時(shí)間過(guò)后，將信號(hào)值讀出。因?yàn)閿?shù)據(jù)的讀出是串行的，所以清零/曝光/讀出也只能逐行順序進(jìn)行，通常是從上至下，對(duì)高速運(yùn)動(dòng)的物體會(huì)產(chǎn)生明顯的變形。例如，如果數(shù)據(jù)的讀出速度是每秒20幀，那么圖像頂部和底部的曝光先后差異將最多可能達(dá)50毫秒。目前大多數(shù)CMOS傳感器采用這種曝光方式。

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

????? 全局快門(mén)的工作方式就想我們通常想象的那樣，所有的像素同時(shí)感光，在任意一個(gè)時(shí)間點(diǎn)，所有的像素都接受相同的光量。全局曝光傳感器最主要的區(qū)別是在每個(gè)像素處增加了采樣保持單元。在曝光前整個(gè)圖像重置；像素可以在曝光時(shí)間積累電荷；曝光結(jié)束后，每個(gè)像素積累的電荷同時(shí)傳送到屏蔽光（對(duì)光不敏感）的存儲(chǔ)區(qū)域；然后信號(hào)從此區(qū)域讀出。因所有像素同時(shí)重置，曝光積分同樣的間隔，并同時(shí)傳輸?shù)焦馄帘未鎯?chǔ)區(qū)域，故移動(dòng)物體來(lái)說(shuō)沒(méi)有變形。在指定時(shí)間達(dá)到后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣然后順序讀出，這樣雖然后讀出的像素仍然在進(jìn)行曝光，但存儲(chǔ)在采樣保持單元中的數(shù)據(jù)卻并未改變。 這種機(jī)構(gòu)的主要缺點(diǎn)在于增加了每個(gè)像素的元件數(shù)目，使得填充系數(shù)降低，所以很難設(shè)計(jì)出高像素?cái)?shù)的傳感器，另外采樣保持單元還引入了新的噪音源。目前，具有全局快門(mén)的CMOS傳感器，主要用于工業(yè)相機(jī)、機(jī)器視覺(jué)和高速攝影等領(lǐng)域。

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的认识CMOS图像传感器的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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