圖像傳感器 像素:CMOS 圖像傳感器簡介(1):像素結構

2021/12/31 21:01 · 傳感器知識資訊 ·  · 圖像傳感器 像素:CMOS 圖像傳感器簡介(1):像素結構已關閉評論
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圖像傳感器像素:CMOS圖像傳感器簡介(1):像素結構隨著工藝的發展,CMOS圖像傳感器的性能已經趕上或超越CCD,再加上CMOS圖像傳感器在工藝上能很大程度與傳統CMOS芯片兼容,它已經成為相機的主流傳感器類型。由于只能硬件的迅猛發展,很多應用場景都將碰到CMOS傳感器,因此本文從基礎出發,介紹CMOS圖像傳感器的像素結構。1.圖像傳感器整體架構CMOS圖像傳感器本質是一塊芯片,

圖像傳感器 像素:CMOS 圖像傳感器簡介(1):像素結構

  隨著工藝的發展,CMOS圖像傳感器的性能已經趕上或超越CCD,再加上CMOS圖像傳感器在工藝上能很大程度與傳統CMOS芯片兼容,它已經成為相機的主流傳感器類型。由于只能硬件的迅猛發展,很多應用場景都將碰到CMOS傳感器,因此本文從基礎出發,介紹CMOS圖像傳感器的像素結構。

1.圖像傳感器整體架構
  CMOS圖像傳感器本質是一塊芯片,主要包括:感光區陣列(Bayer陣列,或叫像素陣列)、時序控制、模擬信號處理以及模數轉換等模塊(如圖1)。其中,各模塊的作用分別為:

像素陣列:完成光電轉換,將光子轉換為電子。時序控制:控制電信號的讀出、傳遞。模擬信號處理(ADC):對信號去噪。(如用CDS去除reset noise、fpn等)

圖1.1 CMOS傳感器示例

其中,像素陣列占整個芯片的面積最大,像素陣列是由一個個像素組成,它對應到我們看到每張圖片中的每個像素。每個像素包括感光區和讀出電路(后面小節會詳細討論),每個像素的信號經由模擬信號處理后,交由ADC進行模數轉換后即可輸出到數字處理模塊。像素陣列的信號讀出如下(參考圖1.2):

每個像素在進行reset,進行曝光。行掃描寄存器,一行一行的激活像素陣列中的行選址晶體管。列掃描寄存器,對于每一行像素,一個個的激活像素的列選址晶體管。讀出信號,并進行放大。

圖1.2 CMOS傳感器信號讀出示意圖

2.圖像傳感器像素結構
  CMOS傳感器上的主要部件是像素陣列,這是其與傳統芯片的主要區別。每個像素的功能是將感受到的光轉換為電信號,通過讀出電路轉為數字化信號,從而完成現實場景數字化的過程。像素陣列中的每個像素結構是一樣的,如圖2.1是典型的前照式像素結構,其主要結構包括:

On-chip-lens:該結構可以理解為在感光元件上覆蓋的一層微透鏡陣列,它用來將光線聚集在像素感光區的開口上??梢栽黾庸怆娹D化效率,減少相鄰像素之間的光信號串擾。Color filter:該結構是一個濾光片,包括紅/綠/藍三種,分別只能透過紅色、綠色、藍色對應波長的光線。該濾光片結構的存在,使得每個像素只能感應一種顏色,另外的兩種顏色分量需要通過相鄰像素插值得到,即demosaic算法。Metal wiring:可以為金屬排線,用于讀出感光區的信號(其實就是像素內部的讀出電路)。Photodiode:即光電信號轉換器,其轉換出的電信號會經過金屬排線讀出。

圖2.1 像素結構

其中,Photodiode和Metal wiring對CMOS傳感器的性能影響最大(比如光電轉換效率,讀出噪聲等),也是目前主流傳感器廠商注重提高的工藝。為了方便敘述,下面將Photodiode和Metal wiring簡稱為Pixel(即包括每個像素內的感光區域和讀出電路)。

2.1 Passive Pixel
  最簡單的Pixel結構只有一個PN結作為photodiode感光,以及一個與它相連的reset晶體管作為一個開關(如圖2.2)。它的工作方式如下:

在開始曝光之前,該像素的行選擇地址會上電(圖中未畫出),從而RS會激活,連通PN結與column bus。同時列選擇器會上電,此時PN結會被加載高反向電壓(例如3.3 V)。在Reset(即PN結內電子空穴對達到平衡)完成后,RS將會被停止激活,停止PN結與column bus的連通。在曝光時間內,PN結內的硅在吸收光線后,會產生電子-空穴對。由于PN結內電場的影響,電子-空穴對會分成兩個電荷載體,電子會流向PN結的

n+

n

+

端,空穴會流向PN結的p-substrate。因此,經過曝光后的的PN結,其反向電壓會降低。在曝光結束后,RS會被再次激活,讀出電路會測量PN結內的電壓,該電壓與原反向電壓之間的差,就是PN結接受到的光信號。(在主流sensor設計中,電壓差與光強成正比關系)在讀出感光信號后,會對PN結進行再次reset,準備下次曝光。

圖2.2 像素結構

這種像素結構,其讀出電路完全位于像素外面,稱為Passive Pixel。Passive Pixel的讀出電路簡單,整個Pixel的面積可以大部分用于構造PN結,所以其滿阱電容一般會高于其他結構。但是,由于其信號的讀出電路位于Pixel外面,它受到電路噪聲的影響比Active Pixel(下一節會介紹)大。Passivel Pixel噪聲較大有2個主要原因:

相對讀出電路上的寄生電容,PN結的電容相對較小。代表其信號的電壓差相對較小,這導致其對電路噪聲很敏感。如圖2.3(b),PN結的信號,先經過讀出電路,才進行放大。這種情況,注入到讀出信號的噪聲會隨著信號一起放大。

圖2.3 Active Pixel和Passive Pixel噪聲注入對比

2.2 Active Pixel
  Active Pixel指的是在像素內部有信號讀出電路和放大電路的像素結構。如圖2.3(a),信號傳出Pixel之前,就已經讀出并放大,這減少了讀出信號對噪聲的敏感性。隨著工藝的發展,基于Active Pixel的CMOS傳感器在暗電流和噪聲表現上有很大提升,Active Pixel結構隨之成為了CMOS傳感器的主流設計。

  圖2.4展示了基于PN結的Active Pixel結構,也成為3T像素結構(每個像素包含3個三極管)。在這種結構中,每個像素包含一個PN結作為感光元件,一個復位三極管RST,一個行選擇器RS,以及一個信號放大器SF。其工作方式和Passive Pixel類似:

復位。給PN結加載反向電壓,或者說激活RST給PN結進行復位。復位完成后,不再導通RST。曝光。和在Passive Pixel中一樣,光子打到PN結及硅基,被吸收后產生電子-空穴對。這些電子空穴對通過電場移動后,減小PN結上的反向電壓。讀出。在曝光完成后,RS會被激活,PN結中的信號經過運放SF放大后,讀出到column bus。循環。讀出信號后,重新復位,曝光,讀出,不斷的輸出圖像信號。

圖2.4 PN結像素結構

基于PN結的Active Pixel流行與90年代中期,它解決了很多噪聲問題。但是由PN結復位引入的kTC噪聲,并沒有得到解決。為了解決復位kTC噪聲,減小暗電流,引入了基于PPD結構(Pinned Photodiode Pixel)的像素結構。PPD pixel包括一個PPD的感光區,以及4個晶體管,所以也稱為4T像素結構(如圖2.5)。PPD的出現,是CMOS性能的巨大突破,它允許相關雙采樣(CDS)電路的引入,消除了復位引入的kTC噪聲,運放器引入的1/f噪聲和offset噪聲。

圖2.5 PPD像素結構

  仔細對比圖2.4和2.5,發現示意圖右邊的結構基本一致。但他們的功能有明顯差異,對于PPD,右邊部分電路只是信號讀出電路。讀出電路與光電轉換結構通過TX完全隔開,這樣可以將光感區的設計和讀出電路完全隔離開,有利于各種信號處理電路的引入(如CDS,DDS等)。另外,PPD感光區的設計采用的是p-n-p結構,減小了暗電流。PPD像素的工作方式如下:
1. 曝光。光照射產生的電子-空穴對會因PPD電場的存在而分開,電子移向n區,空穴移向p區。
2. 復位。在曝光結束時,激活RST,將讀出區(

n+

n

+

區)復位到高電平。
3. 復位電平讀出。復位完成后,讀出復位電平,其中包含運放的offset噪聲,1/f噪聲以及復位引入的kTC噪聲,將讀出的信號存儲在第一個電容中。
4. 電荷轉移。激活TX,將電荷從感光區完全轉移到

n+

n

+

區用于讀出,這里的機制類似于CCD中的電荷轉移。
5. 信號電平讀出。接下來,將

n+

n

+

區的電壓信號讀出到第二個電容。這里的信號包括:光電轉換產生的信號,運放產生的offset,1/f噪聲以及復位引入的kTC噪聲
6. 信號輸出。將存儲在兩個電容中的信號相減(如采用CDS,即可消除Pixel中的主要噪聲),得到的信號在經過模擬放大,然后經過ADC采樣,即可進行數字化信號輸出。

PPD像素結構有如下優點:
- 讀出結構(

n+

n

+

區)的kTC噪聲完全被CDS消除。
- 運放器的offset和1/f噪聲,都會因CDS得到明顯改善。
- 感光結構因復位引起的kTC噪聲,由于PPD電荷的全轉移,變的不再存在。
- 光敏感度,它直接取決于耗盡區的寬度,由于PPD的耗盡區一直延伸到近

Si?SiO2

S

i

?

S

i

O

2

界面,PPD的光感度更高。
- 由于p-n-p的雙結結構,PPD的電容更高,能產生更高的動態范圍。
- 由于

Si?SiO2

S

i

?

S

i

O

2

界面由一層

p+

p

+

覆蓋,減小了暗電流。

由于PPD像素結構在暗電流和噪聲方面的優異表現,近年來市面上的CMOS傳感器都是以PPD結構為主。但是,PPD結構有4個晶體管,有的設計甚至有5個,這大大降低了像素的填充因子(即感光區占整個像素面積的比值),這會影響傳感器的光電轉換效率,進而影響傳感器的噪聲表現。在PPD結構中,像素的感光區和讀出電路由TX晶體管隔開,相鄰像素減可以共用讀出電路(如圖2.6)。圖2.6所示的2x2像素共享讀出電路,一共有7個晶體管,平均一個像素1.75個晶體管。這樣可以大大減少每個像素中讀出電路占用的面積,可以提高填充因子,這樣可以使得像素面積更?。ū热?微米)。然而,由于這2x2個像素的結構不再一致,會導致固定模式噪聲的出現(FPN),這需要在后續圖像處理中消除。

圖2.6 共享讀出電路的PPD像素結構

3.總結
  本文主要介紹了以下三個方面:

CMOS圖像傳感器的整體架構。闡明了其基本模塊:像素整列、讀出電路、模擬信號處理以及模數轉換模塊。CMOS圖像傳感器的PN結像素結構。這里主要介紹了CMOS在發展初期的以中像素結構,但是它存在高暗電流和噪聲的問題,在90年代中期始終無法與CCD在高端成像領域競爭。CMOS圖像傳感器的PPD像素結構。介紹了PPD像素中感光區域與讀出電路的分離,從而使得CDS能用于圖像信號的讀出,引發了CMOS圖像傳感器的變革。這大大減少了CMOS傳感器的噪聲和暗電流,使得CMOS傳感器趕上并超越CCD,成為相機傳感器的主流。介紹了PPD像素結構共享讀出電路的方式。由于PPD讀出電路復雜,減小了像素的感光區填充因子,引入了讀出電路共享方式。該技術能夠進一步減少像素的面積,目前已知的有1微米大小的像素。
文中主要介紹了像素結構的基礎,后續會繼續更新一些CMOS傳感器的知識。

參考文獻
[1] Albert THEUWISSEN. CMOS Image Sensors : State-Of-The-Art and Future Perspectives. ESSDERC 2007 - 37th European Solid State Device Research Conference

[2] Junichi Nakamura etc. Image Sensors and Signal Processing for Digital Still Cameras. 2006. Taylor & Francis

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圖像傳感器
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圖像傳感器是利用光電器件的光電轉換功能將感光面上的光像轉換為與光像成相應比例關系的電信號。與光敏二極管,光敏三極管等“點”光源的光敏元件相比,圖像傳感器是將其受光面上的光像,分成許多小單元,將其轉換成可用的電信號的一種功能器件。圖像傳感器分為光導攝像管和固態圖像傳感器。與光導攝像管相比,固態圖像傳感器具有體積小、重量輕、集成度高、分辨率高、功耗低、壽命長、價格低等特點。因此在各個行業得到了廣泛應用。
[1]
中文名
圖像傳感器
外文名
image sensor
別 名
感光元件
分 類
CCD,CMOS
定 義
組成數字攝像頭的重要組成部分
目錄
1
CCD
?
應用
?
歷史
?
特點
2
CMOS
?
特點
?
歷史
?
市場
?
發展
3
技術參數
4
發展現狀
圖像傳感器CCD
編輯
語音
CCD是應用在攝影攝像方面的高端技術元件,CMOS則應用于較低影像品質的產品中,它的優點是制造成本較CCD更低,功耗也低得多,這也是市場很多采用USB接口的產品無須外接電源且價格便宜的原因。盡管在技術上有較大的不同,但CCD和CMOS兩者性能差距不是很大,只是CMOS攝像頭對光源的要求要高一些,但該問題已經基本得到解決。CCD元件的尺寸多為1/3英寸或者1/4英寸,在相同的分辨率下,宜選擇元件尺寸較大的為好。圖像傳感器又叫感光元件。
圖像傳感器應用
CMOS圖像傳感器
圖像傳感器
[2]
,或稱感光元件,是一種將光學圖像轉換成電子信號的設備,它被廣泛地應用在數碼相機和其他電子光學設備中。早期的圖像傳感器采用模擬信號,如攝像管(video camera tube)。隨著數碼技術、半導體制造技術以及網絡的迅速發展,市場和業界都面臨著跨越各平臺的視訊、影音、通訊大整合時代的到來,勾劃著未來人類的日常生活的美景。以其在日常生活中的應用,無疑要屬數碼相機產品,其發展速度可以用日新月異來形容。短短的幾年,數碼相機就由幾十萬像素,發展到400、500萬像素甚至更高。不僅在發達的歐美國家,數碼相機已經占有很大的市場,就是在發展中的中國,數碼相機的市場也在以驚人的速度在增長,因此,其關鍵零部件——圖像傳感器產品就成為當前以及未來業界關注的對象,吸引著眾多廠商投入。以產品類別區分,圖像傳感器產品主要分為CCD、CMOS以及CIS傳感器三種。本文將主要簡介CCD以及CMOS傳感器的技術和產業發展現狀。
圖像傳感器歷史
感光器件是工業攝像機最為核心的部件,圖像傳感器有CMOS和CCD兩種。CCD特有的工藝,具有低照度效果好、信噪比高、通透感強、色彩還原能力佳等優點,在交通、醫療等高端領域中廣泛應用。由于其成像方面的優勢,在很長時間內還會延續采用,但同時由于其成本高、功耗大也制約了其市場發展的空間。CCD與CMOS在不同的應用場景下各有優勢,但隨著CMOS工藝和技術的不斷提升,以及高端CMOS價格的不斷下降,相信在安防行業高清攝像機未來的發展中,CMOS將占據越來越重要的地位。
CCD(Charged Coupled Device)于1969年在貝爾試驗室研制成功,之后由日商等公司開始量產,其發展歷程已經將近30多。CCD又可分為線型(Linear)與面型(Area)兩種,其中線型應用于影像掃瞄器及傳真機上,而面型主要應用于數碼相機(DSC)、攝錄影機、監視攝影機等多項影像輸入產品上。
圖像傳感器特點
一般認為,CCD傳感器有以下優點:高解析度(High Resolution):像點的大小為μm級,可感測及識別精細物體,提高影像品質。從1寸、1/2寸、2/3寸、1/4寸到推出的1/9寸,像素數目從10多萬增加到400~500萬像素;低雜訊(Low Noise)高敏感度:CCD具有很低的讀出雜訊和暗電流雜訊,因此提高了信噪比(SNR),同時又具高敏感度,很低光度的入射光也能偵測到,其訊號不會被掩蓋,使CCD的應用較不受天候拘束;動態范圍廣(High Dynamic Range):同時偵測及分辨強光和弱光,提高系統環境的使用范圍,不因亮度差異大而造成信號反差現象。良好的線性特性曲線(Linearity):入射光源強度和輸出訊號大小成良好的正比關系,物體資訊不致損失,降低信號補償處理成本;高光子轉換效率(High Quantum Efficiency ):很微弱的入射光照射都能被記錄下來,若配合影像增強管及投光器,即使在暗夜遠處的景物仍然還可以偵測得到;大面積感光(Large Field of View):利用半導體技術已可制造大面積的CCD晶片,與傳統底片尺寸相當的35mm的CCD已經開始應用在數碼相機中,成為取代專業有利光學相機的關鍵元件;光譜響應廣(Broad Spectral Response):能檢測很寬波長范圍的光,增加系統使用彈性,擴大系統應用領域;低影像失真(Low Image Distortion):使用CCD感測器,其影像處理不會有失真的情形,使原物體資訊忠實地反應出來;體積小、重量輕CCD具備體積小且重量輕的特性,因此,可容易地裝置在人造衛星及各式導航系統上;低秏電力不受強電磁場影響;9. 電荷傳輸效率佳:該效率系數影響信噪比、解像率,若電荷傳輸效率不佳,影像將變較模糊;10. 可大批量生產,品質穩定,堅固,不易老化,使用方便及保養容易。根據In-Stat在2001時對全球圖像傳感器的研究報告中指出,CCD產業前七大廠商皆為日系廠商,占了全球98.5%的市場份額,在技術發展方面,較有特色的主要廠商應為索尼、飛利普和柯達公司。
圖像傳感器CMOS
編輯
語音
圖像傳感器特點
CMOS傳感器采用一般半導體電路最常用的CMOS工藝,具有集成度高、功耗小、速度快、成本低等特點,最近幾年在寬動態、低照度方面發展迅速。CMOS即互補性金屬氧化物半導體,主要是利用硅和鍺兩種元素所做成的半導體,通過CMOS上帶負電和帶正電的晶體管來實現基本的功能。這兩個互補效應所產生的電流即可被處理芯片記錄和解讀成影像。在模擬攝像機以及標清網絡攝像機中,CCD的使用最為廣泛,長期以來都在市場上占有主導地位。CCD的特點是靈敏度高,但響應速度較低,不適用于高清監控攝像機采用的高分辨率逐行掃描方式,因此進入高清監控時代以后,CMOS逐漸被人們所認識,高清監控攝像機普遍采用CMOS感光器件。CMOS針對CCD最主要的優勢就是非常省電。不像由二級管組成的CCD,CMOS電路幾乎沒有靜態電量消耗。這就使得CMOS的耗電量只有普通CCD的1/3左右,CMOS重要問題是在處理快速變換的影像時,由于電流變換過于頻繁而過熱,暗電流抑制的好就問題不大,如果抑制的不好就十分容易出現噪點。已經研發出720P與1080P專用的背照式CMOS器件,其靈敏度性能已經與CCD接近。與表面照射型CMOS傳感器相比,背照式CMOS在靈敏度(S/N)上具有很大優勢,顯著提高低光照條件下的拍攝效果,因此在低照度環境下拍攝,能夠大幅降低噪點。雖然以CMOS技術為基礎的百萬像素攝像機產品在低照度環境和信噪處理方面存在不足,但這并不會根本上影響它的應用前景。而且相關國際大企業正在加大力度解決這兩個問題,相信在不久的將來,CMOS的效果會越來越接近CCD的效果,并且CMOS設備的價格會低于CCD設備。安防行業使用CMOS多于CCD已經成為不爭的事實,盡管相同尺寸的CCD傳感器分辨率優于CMOS傳感器,但如果不考慮尺寸限制,CMOS在量率上的優勢可以有效克服大尺寸感光原件制造的困難,這樣CMOS在更高分辨率下將更有優勢。另外,CMOS響應速度比CCD快,因此更適合高清監控的大數據量特點。
圖像傳感器歷史
與CCD相比,CMOS具有體積小,耗電量不到CCD的1/10,售價也比CCD便宜1/3的優點。與CCD產品相比,CMOS是標準工藝制程,可利用現有的半導體設備,不需額外的投資設備,且品質可隨著半導體技術的提升而進步。同時,全球晶圓廠的CMOS生產線較多,日后量產時也有利于成本的降低。另外,CMOS傳感器的最大優勢,是它具有高度系統整合的條件。理論上,所有圖像傳感器所需的功能,例如垂直位移、水平位移暫存器、時序控制、CDS、ADC…等,都可放在集成在一顆晶片上,甚至于所有的晶片包括后端晶片(Back-end Chip)、快閃記憶體(Flash RAM)等也可整合成單晶片(SYSTEM-ON-CHIP),以達到降低整機生產成本的目的。正因為此,投入研發、生產的廠商較多,美國有30多家,歐洲7家,日本約8家,韓國1家,臺灣有8家。而居全球翹楚地位的廠商是Agilent(HP),其市場占有率51%、ST(VLSI Vision)占16%、Omni Vision占13%、現代占8%、Photobit約占5%,這五家合計市占率達93%。根據In-Stat統計資料顯示,CMOS傳感器的全球銷售額到2004年可望突破18億美元,CMOS將以62%的年復合成長率快速成長,逐步侵占CCD器件的應用領域。特別是在2013年快速發展的手機應用領域中,以CMOS圖像傳感器為主的攝相模塊將占領其80%以上的應用市場。
圖像傳感器市場
CMOS圖像傳感器屬于新興產品市場,其市場占有率變化不如成熟產業那般恒常不變,例如在1999年時,CMOS市場中,按照出貨比例排名依序為Agilent、OmniVision、STM和Hyundai,其市場占有率分別為24%、22%、14%和14%,其中STM是歐洲廠商,Hyundai是韓國廠商;但只經過一年后的市場競爭,Agilent和OmniVision出貨排名順序仍然分居一、二,且市場占有率分別提升到37.7%和30.8%,而STM落居第四,市場占有率大幅滑落至4.8%,至于Hyundai更是大幅衰退只剩2.1%的市場占有率,值得一提的是Photobi在2000年度的大幅成長,全球市場占有率快速成長至13.7%,排名全球第三。這三家廠商出貨量就占全球出貨量的82.2%。從中可以分析,這個產業的廠商集中度相當密集,所以觀察上述三家廠商的動態和發展,可看出許產業和技術未來發展方向。Agilent主要的產品為第二代的CIF(352*288)HDCS-1020和第二代的VGA(640*480)HDCS-2020,主要應用在數碼相機 、行動電話、PDA、PC Camera等新興的資訊家電產品之中,此外Agilent在2000年另一成功策略是和Logitech與Microsoft這兩家公司策略聯盟,打入了光學鼠標產品領域,但是這是非常低階的CMOS產品,而且不是為了捕捉影像 ,所以在做影像感測器的全球統計時并未將此數量一并加入,但是此舉可看出Agilent以CMOS技術為基礎進軍光學元件的規劃意圖。OmniVision它主要的產品包括︰CIF(352 x 288)、VGA(640 x 480)、SVGA(800 x 600)和SXGA(1280 x 1024)。Omnivision開發的130萬像素等級的CMOS圖像傳感器正在被業界大量應用在數碼相機中。業界一般認為,百萬像素為使用CMOS和CCD的分水嶺,CMOS成功跨進這一市場,足以說明CMOS技術發展對市場的滲透度,未來可能將取代CCD成為中低檔影像產品的不留應用。Omnivision在2001年5月開發的CIF(352 x 288)等級的CMOS傳感器,其特色為低秏電,目標市場定位在移動電話上,其產品發展策略和各大研究調查機構不謀而合,在移動電話市場上,CMOS模組的攝相模塊已經成為移動通訊應用的最大量產品。Photobit在2000年獲得較大成功。2001年Photobit率先研發出PB-0330產品型號的CMOS圖像傳感器,此產品特色具備單一晶片邏輯轉數位的變頻器,它是第二代1/4寸的VGA(640 x 480),同時也推出PB-0111產品型號的CMOS影像感測器,是第二代1/5寸的CIF(352 x 288)。Photobit推出這兩種產品主要針對數碼相機和PC Camera的數位化產品,和OmniVision CIF(352 x 288)定位在行動電話市場上有所區隔,其推出CIF(352 x 288)和VGA(640 x 480)這兩種不同解析程度的影像感測器,行銷范圍意圖含蓋低階和中高階市場。
圖像傳感器發展
2013年業界發展了CMOS圖像傳感器新技術--C3D。C3D技術的最大特點就是像素反應的均一性。C3D技術重新定義了成像器的性能(即把系統的整體性能包括在內)并提高了CMOS圖像傳感器在均一性和暗電流方面的標準性能。2014年初,美國Foveon公司公開展示了其最新發展的Foveon X3技術,立即引起業界的高度關注。Foveon X3是全球第一款可以在一個像素上捕捉全部色彩的圖像傳感器陣列。傳統的光電耦合器件只能感應光線強度,不能感應色彩信息,需要通過濾色鏡來感應色彩信息,我們稱之為Bayer濾鏡。而Foveon X3在一個像素上通過不同的深度來感應色彩,最表面一層感應藍色、第二層可以感應綠色,第三層感應紅色。它是根據硅對不同波長光線的吸收效應來達到一個像素感應全部色彩信息,已經有了使用這種技術的CMOS圖像傳感器,其應用產品是“Sigma SD9”數碼相機。這項革新技術可以提供更加銳利的圖像,更好的色彩,比起以前的圖像傳感器,X3是第一款通過內置硅光電傳感器來檢測色彩的。Foveon X3的技術對于傳統半導體感光技術來說有很大的突破,也有顛覆傳統技術的效果,相信Foveon X3會有很好的前景。在高分辨率像素產品方面,日前臺灣銳視科技已領先業界批量推出了210萬像素的CMOS圖像傳感器,而且已有美商與臺灣的光學鏡頭廠合作,將在第三季推出此款CMOS傳感器結合鏡頭的模組,CMOS應用已經開始在200萬像素數碼相機產品中應用。對比CCD提供很好的圖像質量、抗噪能力和相機設計時的靈活性。盡管由于增加了外部電路使得系統的尺寸變大,復雜性提高,但在電路設計時可更加靈活,可以盡可能的提升CCD相機的某些特別關注的性能。CCD更適合于對相機性能要求非常高而對成本控制不太嚴格的應用領域,如天文,高清晰度的醫療X光影像、和其他需要長時間曝光,對圖像噪聲要求嚴格的科學應用。CMOS是能應用當代大規模半導體集成電路生產工藝來生產的圖像傳感器,具有成品率高、集成度高、功耗小、價格低等特點。CMOS技術是世界上許多圖像傳感器半導體研發企業試圖用來替代CCD的技術。經過多年的努力,作為圖像傳感器,CMOS已經克服早期的許多缺點,發展到了在圖像品質方面可以與CCD技術較量的水平。CMOS的水平使它們更適合應用于要求空間小、體積小、功耗低而對圖像噪聲和質量要求不是特別高的場合。如大部分有輔助光照明的工業檢測應用、安防保安應用、和大多數消費型商業數碼相機應用。
圖像傳感器技術參數
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了解CCD和CMOS芯片的成像原理和主要參數對于產品的選型時非常重要的。同樣,相同的芯片經過不同的設計制造出的相機性能也可能有所差別。CCD和CMOS的主要參數有以下幾個:1. 像元尺寸像元尺寸指芯片像元陣列上每個像元的實際物理尺寸,通常的尺寸包括14um,10um, 9um , 7um , 6.45um ,3.75um 等。像元尺寸從某種程度上反映了芯片的對光的響應能力,像元尺寸越小,能夠接收到的光子數量越多,在同樣的光照條件和曝光時間內產生的電荷數量越多。對于弱光成像而言,像元尺寸是芯片靈敏度的一種表征。2. 靈敏度靈敏度是芯片的重要參數之一,它具有兩種物理意義。一種指光器件的光電轉換能力,與響應率的意義相同。即芯片的靈敏度指在一定光譜范圍內,單位曝光量的輸出信號電壓(電流),單位可以為納安/勒克斯nA/Lux、伏/瓦(V/W)、伏/勒克斯(V/Lux)、伏/流明(V/lm)。另一種是指器件所能傳感的對地輻射功率(或照度),與探測率的意義相同,。單位可用瓦(W)或勒克斯(Lux)表示。3. 壞點數由于受到制造工藝的限制,對于有幾百萬像素點的傳感器而言,所有的像元都是好的情況幾乎不太可能,壞點數是指芯片中壞點(不能有效成像的像元或相應不一致性大于參數允許范圍的像元)的數量,壞點數是衡量芯片質量的重要參數。4. 光譜響應光譜響應是指芯片對于不同光波長光線的響應能力,通常用光譜響應曲線給出。從產品的技術發展趨勢看,無論是CCD還是CMOS,其體積小型化及高像素化仍是業界積極研發的目標。因為像素尺寸小則圖像產品的分辨率越高、清晰度越好、體積越小,其應用面更廣泛。從上述二種圖像傳感器解析度來看,未來將有幾年時間,以130萬像素至200萬像素為界,之上的應用領域中,將仍以CCD主流,之下的產品中,將開始以CMOS傳感器為主流。業界分析2014年底至2015初,將有300萬像素的CMOS上市,預測CMOS市場應用超越CCD的時機一般在2004年-2005年。
圖像傳感器發展現狀
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圖像傳感器的視訊比是給定的,使用高清(HD)分辨率1080p,攝像機設計正朝使用更小的光學格式發展,導致需要更小的像素結構,以降低整體系統成本,同時不影響圖像性能或光靈敏度。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,敏感元件和信號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上獨樹一幟。但最初市場上的CMOS圖像傳感器,一直沒有擺脫 光照靈敏度低和圖像分辨率低的缺點,圖像質量還無法與CCD圖像傳感器相比。如果把CMOS圖像傳感器的光照靈敏度再提高5倍~10 倍,把噪聲進一步降低,CMOS圖像傳感器的圖像質量就可以達到或略微超過CCD圖像傳感器的水平,同時能保持體積小、重量輕、功耗低、集成度高、價位低 等優點,如此,CMOS圖像傳感器就會取代CCD圖像傳感器,并且發展出更好的功效。由于CMOS圖像傳感器的應用,新一代圖像系統的開發研制得到了 極大的發展,并且隨著經濟規模的形成,其生產成本也得到降低。CMOS圖像傳感器的畫面質量也能與CCD圖像傳感器相媲美,這主要歸功于圖像傳感器 芯片設計的改進,以及亞微米和深亞微米級設計增加了像素內部的新功能。實際上,更確切地說,CMOS圖像傳感器應當是一個圖像系統。一 個典型的CMOS圖像傳感器通常包含:一個圖像傳感器核心(是將離散信號電平多路傳輸到一個單一的輸出,這與CCD圖像傳感器很相似),所有的時序邏輯、 單一時鐘及芯片內的可編程功能,比如增益調節、積分時間、窗口和模數轉換器。事實上,當一位設計者購買了CMOS圖像傳感器后,他得到的是一個包括圖像陣 列邏輯寄存器、存儲器、定時脈沖發生器和轉換器在內的全部系統。與傳統的CCD 圖像系統相比,把整個圖像系統集成在一塊芯片上不僅降低了功耗,而且具有重量較輕,占用空間減少以及總體價格更低的優點。
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參考資料
1.

祝詩平.傳感器與檢測技術:北京大學出版社,中國林業出版社,2006年:209
2.

圖像傳感器最新新聞資訊
.OFweek傳感器網[引用日期2016-07-21]
3.

圖像傳感器的發展及應用現狀
.傳感器應用網[引用日期2016-05-24]
圖像傳感器 像素:CMOS 圖像傳感器簡介(1):像素結構  第1張

圖像傳感器 像素:深度解讀CMOS圖像傳感器

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圖像傳感器是將光信號轉換為電信號的裝置,在數字電視、可視通信市場中有著廣泛的應用。60年代末期,美國貝爾實臉室發現電荷通過半導體勢阱發生轉移的現象,提出了固態成像這一新概念和一維CCD(Charge-Coupled Device 電荷耦合器件)模型器件。到90年代初,CCD技術已比較成熱,得到非常廣泛的應用。

但是隨著CCD應用范圍的擴大,其缺點逐漸暴露出來。首先,CCD技術芯片技術工藝復雜,不能與標準工藝兼容。其次,CCD技術芯片需要的電壓功耗大,因此CCD技術芯片價格昂貴且使用不便。

目前,最引人注目,最有發展潛力的是采用標準的CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor 互補金屬氧化物場效應管)技術來生產圖像傳感器,即CMOS圖像傳感器。CMOS圖像傳感器芯片采用了CMOS工藝,可將圖像采集單元和信號處理單元集成到同一塊芯片上。由于具有上述特點,它適合大規模批量生產,適用于要求小尺寸、低價格、攝像質量無過高要求的應用,如保安用小型、微型相機、手機、計算機網絡視頻會議系統、無線手持式視頻會議系統、條形碼掃描器、傳真機、玩具、生物顯微計數、某些車用攝像系統等大量商用領域。

CMOS圖像傳感器概述

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、行驅動器、列驅動器、時序控制邏輯、AD轉換器、數據總線輸出接口、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。其工作過程一般可分為復位、光電轉換、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字信號處理電路,如AD轉換器、自動曝光量控制、非均勻補償、白平衡處理、黑電平控制、伽瑪校正等,為了進行快速計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,從而組成單片數字相機及圖像處理系統。

更確切地說,CMOS圖像傳感器應當是一個圖像系統。一個典型的CMOS圖像傳感器通常包含:一個圖像傳感器核心(是將離散信號電平多路傳輸到一個單一的輸出,這與CCD圖像傳感器很相似),所有的時序邏輯、單一時鐘及芯片內的可編程功能,比如增益調節、積分時間、窗口和模數轉換器。事實上,當一位設計者購買了CMOS圖像傳感器后,他得到的是一個包括圖像陣列邏輯寄存器、存儲器、定時脈沖發生器和轉換器在內的全部系統。與傳統的CCD圖像系統相比,把整個圖像系統集成在一塊芯片上不僅降低了功耗,而且具有重量較輕,占用空間減少以及總體價格更低的優點。

CMOS圖像傳感器基本工作原理

下圖為CMOS圖像傳感器的功能框圖。

首先,外界光照射像素陣列,發生光電效應,在像素單元內產生相應的電荷。行選擇邏輯單元根據需要,選通相應的行像素單元。行像素單元內的圖像信號通過各自所在列的信號總線傳輸到對應的模擬信號處理單元以及A/D轉換器,轉換成數字圖像信號輸出。其中的行選擇邏輯單元可以對像素陣列逐行掃描也可隔行掃描。行選擇邏輯單元與列選擇邏輯單元配合使用可以實現圖像的窗口提取功能。模擬信號處理單元的主要功能是對信號進行放大處理,并且提高信噪比。另外,為了獲得質量合格的實用攝像頭,芯片中必須包含各種控制電路,如曝光時間控制、自動增益控制等。為了使芯片中各部分電路按規定的節拍動作,必須使用多個時序控制信號。為了便于攝像頭的應用,還要求該芯片能輸出一些時序信號,如同步信號、行起始信號、場起始信號等。

從某一方面來說,CMOS圖像傳感器在每個像素位置內都有一個放大器,這就使其能在很低的帶寬情況下把離散的電荷信號包轉換成電壓輸出,而且也僅需要在幀速率下進行重置。CMOS圖像傳感器的優點之一就是它具有低的帶寬,并增加了信噪比。由于制造工藝的限制,早先的CMOS圖像傳感器無法將放大器放在像素位置以內。這種被稱為PPS的技術,噪聲性能很不理想,而且還引來對CMOS圖像傳感器的種種干擾。

然而今天,隨著制作工藝的提高,使在像素內部增加復雜功能的想法成為可能?,F在,在像素位置以內已經能增加諸如電子開關、互阻抗放大器和用來降低固定圖形噪聲的相關雙采樣保持電路以及消除噪聲等多種附加功能。實際上,在Conexant公司(前Rockwell半導體公司)的一臺先進的CMOS攝像機所用的CMOS圖傳感器上,每一個像素中都設計并使用了6個晶體管,測試到的讀出噪聲只有1均方根電子。不過,隨著像素內電路數量的不斷增加,留給感光二極管的空間逐漸減少,為了避免這個比例(又稱占空因數或填充系數)的下降,一般都使用微透鏡,這是因為每個像素位置上的微小透鏡都能改變入射光線的方向,使得本來會落到連接點或晶體管上的光線重回到對光敏感的二極管區域。

因為電荷被限制在像素以內,所以CMOS圖像傳感器的另一個固有的優點就是它的防光暈特性。在像素位置內產生的電壓先是被切換到一個縱列的緩沖區內,然后再被傳輸到輸出放大器中,因此不會發生傳輸過程中的電荷損耗以及隨后產生的光暈現象。它的不利因素是每個像素中放大器的閾值電壓都有細小的差別,這種不均勻性就會引起固定圖像噪聲。然而,隨著CMOS圖像傳感器的結構設計和制造工藝的不斷改進,這種效應已經得到顯著弱化。

這種多功能的集成化,使得許多以前無法應用圖像技術的地方現在也變得可行了,如孩子的玩具,更加分散的保安攝像機、嵌入在顯示器和膝上型計算機顯示器中的攝像機、帶相機的移動電路、指紋識別系統、甚至于醫學圖像上所使用的一次性照相機等,這些都已在某些設計者的考慮之中。

CMOS圖像傳感器相關技術

像元結構和工作原理

CMOS圖像傳感器的光電轉換原理與CCD基本相同,其光敏單元受到光照后產生光生電子。而信號的讀出方法卻與CCD不同,每個CMOS源像素傳感單元都有自己的緩沖放大器,而且可以被單獨選址和讀出。

下圖上部給出了MOS三極管和光敏二極管組成的相當于一個像元的結構剖面,在光積分期間,MOS三極管截止,光敏二極管隨入射光的強弱產生對應的載流子并存儲在源極的P.N結部位上[1]。當積分期結束時,掃描脈沖加在MOS三極管的柵極上,使其導通,光敏二極管復位到參考電位,并引起視頻電流在負載上流過,其大小與入射光強對應。圖2-1下部給出了-個具體的像元結構,由圖可知,MOS三極管源極P.N結起光電變換和載流子存儲作用,當柵極加有脈沖信號時,視頻信號被讀出。

CMOS圖像傳感器陣列結構

下圖所示的是CMOS像敏元陣列結構,它由水平移位寄存器、垂直移位寄存器和CMOS像敏元陣列組成。

(1一垂直移位寄存器:2一水平移位寄存器;3一水平掃描開關;4一垂直掃描開關;5一像敏元陣列;6一信號線;7一像敏元)

下圖是CMOS攝像器件的原理框圖。

如前所述,各MOS晶體管在水平和垂直掃描電路的脈沖驅動下起開關作用。水平移位寄存器從左至右順次地接通起水平掃描作用的MOS晶體管,也就是尋址列的作用,垂直移位寄存器順次地尋址列陣的各行。每個像元由光敏二極管和起垂直開關作用的MOS晶體管組成,在水平移位寄存器產生的脈沖作用下順次接通水平開關,在垂直移位寄存器產生的脈沖作用下接通垂直開關,于是順次給像元的光敏二極管加上參考電壓(偏壓)。被光照的二極管產生載流子使結電容放電,這就是積分期間信號的積累過程。而上述接通偏壓的過程同時也是信號讀出過程。在負載上形成的視頻信號大小正比于該像元上的光照強弱。

CMOS圖像傳感器的功能結構及工作原理

如圖所示,給出了CMOS圖像傳感器結構框圖信號流程圖,首先,景物通過成像透鏡聚焦到圖像傳感器陣列上,而圖像傳感器陣列是一個二維的像素陣列,每一個像素上都包括一個光敏二極管,每個像素中的光敏二極管將其陣列表面的光強轉換為電信號,然后通過行選擇電路和列選擇電路選取希望操作的像素,并將像素上的電信號讀取出來,放大后送相關雙采樣CDS電路處理,相關雙采樣是高質量器件用來消除一些干擾的重要方法,其基本原理是由圖像傳感器引出兩路輸出,一路為實時信號,另外一路為參考信號,通過兩路信號的差分去掉相同或相關的干擾信號,這種方法可以減少KTC噪聲、復位噪聲和固定模式噪聲FPN(Fixed Pattern Noise),同時也可以降低1/f噪聲,提高了信噪比,此外,它還可以完成信號積分、放大、采樣、保持等功能。然后信號輸出到模擬/數字轉換器上變換成數字信號輸出。

CMOS圖像傳感器結構類型

CCD型和CMOS型固態圖像傳感器在光檢測方面都利用了硅的光電效應原理,不同點在于像素光生電荷的讀出方式。典型的CMOS像素陣列,是一個二維可編址傳感器陣列。傳感器的每一列與一個位線相連,行允許線允許所選擇的行內每一個敏感單元輸出信號送入它所對應的位線上,位線末端是多路選擇器,按照各列獨立的列編址進行選擇。

根據像素的不同結構,CMOS圖像傳感器可以分為無源像素被動式傳感器(PPS)和有源像素主動式傳感器(APS)。根據光生電荷的不同產生方式APS又分為光敏二極管型、光柵型和對數響應型,現在又提出了DPS(digital pixel sensor)概念。

無源像素被動式傳感器

PPS出現得最早,結構也最簡單,使得CMOS圖像傳感器走向實用化,其結構原理如圖3所示。每一個像素包含一個光敏二極管和一個開關管TX。當TX選通時,光敏二極管中由于光照產生的電荷傳送到了列線col,列線下端的積分放大器將該信號轉化為電壓輸出,光敏二極管中產生的電荷與光信號成一定的比例關系。無源像素具有單元結構簡單、尋址簡單、填充系數高、量子效率高等優點,但它靈敏度低、讀出噪聲大。因此PPS不利于向大型陣列發展,所以限制了應用,很快被APS代替

光敏二極管像素單元

光敏二極管像素單元是由光敏二極管,復位管,源跟隨和行選通開關管組成,此外還有電荷溢出門管M3,M3的作用是增加電路的靈敏度,用一個較小的電容就能夠檢測到整個光敏二極管的n+擴散區所產生的全部光生電荷,它的柵極接約1V的恒定電壓,在分析器件工作原理時可以忽略將其看成短路。電荷敏感擴散電容用做收集光生電荷。復位管M4對光敏二極管和電容復位,同時作為橫向溢出門控制光生電荷的積累和轉移。源跟隨器M1的作用是實現對信號的放大和緩沖,改善APS的噪聲問題。源跟隨器還可加快總線電容的充放電,因而允許總線長度增加和像素規模增大。因此,APS比PPS具有低讀出噪聲和高讀出速率等優點,但像素單元結構復雜,填充系數降低,填充系數一般只有20%到30%。它的工作過程是:首先進入“復位狀態”,復位管打開,對光敏二極管復位;然后進入“取樣狀態”,復位管關閉,光照射到光敏二極管上產生光生載流子,并通過源跟隨器放大輸出;最后進入“讀出狀態”,這時行選通管打開,信號通過列總線輸出。

光柵型APS

光柵型APS是由美國噴氣推進實驗室(JPL)首先推出的。其中感光結構由光柵PG 和傳輸門TX構成。光柵輸出端為漂移擴散端,它與光柵PG被傳輸門TX隔開。像素單元還包括一個復位晶體管,一個源跟隨器和一個行選通晶體管。當光照射在像素單元時,在光柵PG處產生電荷;與此同時,復位管打開,對勢阱復位;然后復位管關閉,行選通管打開,復位后的電信號由此通路被讀出并暫存起來,之后傳輸門TX打開,光照產生的電信號通過勢阱并被讀出,前后兩次的信號差就是真正的圖像信號。

對數響應型CMOS-APS

對數響應型CMOS-APS擁有很高的動態范圍。它由光敏二極管、負載管、源跟隨器和行選通管組成,負載管柵極是一恒定偏置電壓(不一定要是電源電壓),該像素單元輸出信號與入射光信號成對數關系,它的工作特點是光線被連續地轉化為信號電壓,而不像一般APS那樣存在復位和積分過程。但是,對數響應型CMOS-APS的一個致命缺陷就是對器件參數相當敏感,特別是閾值電壓。

PPS和APS都是在像素外進行模/數(A/D)轉換的,而DPS將模/數(A/D)轉換集成在每一個像素單元里,每一個像素單元輸出的是數字信號,工作速度更快,功耗更低。

影響CMOS傳感器性能的主要問題

噪聲

這是影響CMOS傳感器性能的首要問題。這種噪聲包括固定圖形噪聲FPN(Fixed pattern noise)、暗電流噪聲、熱噪聲等。固定圖形噪聲產生的原因是一束同樣的光照射到兩個不同的象素上產生的輸出信號不完全相同。噪聲正是這樣被引入的。對付固定圖形噪聲可以應用雙采樣或相關雙采樣技術。具體地說來有點像在設計模擬放大器時引入差分對來抑制共模噪聲。雙采樣是先讀出光照產生的電荷積分信號,暫存然后對象素單元進行復位,再讀取此象素單元地輸出信號。兩者相減得出圖像信號。兩種采樣均能有效抑制固定圖形噪聲。另外,相關雙采樣需要臨時存儲單元,隨著象素地增加,存儲單元也要增加。

暗電流

物理器件不可能是理想的,如同亞閾值效應一樣,由于雜質、受熱等其他原因的影響,即使沒有光照射到象素,象素單元也會產生電荷,這些電荷產生了暗電流。暗電流與光照產生的電荷很難進行區分。暗電流在像素陣列各處也不完全相同,它會導致固定圖形噪聲。對于含有積分功能的像素單元來說,暗電流所造成的固定圖形噪聲與積分時間成正比。暗電流的產生也是一個隨機過程,它是散彈噪聲的一個來源。因此,熱噪聲元件所產生的暗電流大小等于像素單元中的暗電流電子數的平方根。當長時間的積分單元被采用時,這種類型的噪聲就變成了影響圖像信號質量的主要因素,對于昏暗物體,長時間的積分是必要的,并且像素單元電容容量是有限的,于是暗電流電子的積累限制了積分的最長時間。

為減少暗電流對圖像信號的影響,首先可以采取降溫手段。但是,僅對芯片降溫是遠遠不夠的,由暗電流產生的固定圖形噪聲不能完全通過雙采樣克服?,F在采用的有效的方法是從已獲得的圖像信號中減去參考暗電流信號。

象素的飽和與溢出模糊

類似于放大器由于線性區的范圍有限而存在一個輸入上限,對于CMOS圖像傳感芯片來說,它也有一個輸入的上限。輸入光信號若超過此上限,像素單元將飽和而不能進行光電轉換。對于含有積分功能的像素單元來說,此上限由光電子積分單元的容量大小決定:對于不含積分功能的像素單元,該上限由流過光電二極管或三極管的最大電流決定。在輸入光信號飽和時,溢出模糊就發生了。溢出模糊是由于像素單元的光電子飽和進而流出到鄰近的像素單元上。溢出模糊反映到圖像上就是一片特別亮的區域。這有些類似于照片上的曝光過度。溢出模糊可通過在像素單元內加入自動泄放管來克服,泄放管可以有效地將過剩電荷排出。但是,這只是限制了溢出,卻不能使象素能真實還原出圖像了。

CMOS圖像傳感器參數

1、傳感器尺寸

CMOS圖像傳感器的尺寸越大,則成像系統的尺寸越大,捕獲的光子越多,感光性能越好,信噪比越低。目前,CMOS圖像傳感器的常見尺寸有1英寸、2/3英寸、1/2英寸、1/3英寸、1/4英寸等。

2、像素總數和有效像素數

像素總數是指所有像素的總和,像素總數是衡量CMOS圖像傳感器的主要技術指標之一。CMOS圖像傳感器的總體像素中被用來進行有效的光電轉換并輸出圖像信號的像素為有效像素。顯而易見,有效像素總數隸屬于像素總數集合。有效像素數目直接決定了CMOS圖像傳感器的分辨能力。

3、動態范圍

動態范圍由CMOS圖像傳感器的信號處理能力和噪聲決定,反映了CMOS圖像傳感器的工作范圍。參照CCD的動態范圍,其數值是輸出端的信號峰值電壓與均方根噪聲電壓之比,通常用DB表示。

4、靈敏度

圖像傳感器對入射光功率的響應能力被稱為響應度。對于CMOS圖像傳感器來說,通常采用電流靈敏度來反映響應能力,電流靈敏度也就是單位光功率所產生的信號電流。

5、分辨率

分辨率是指CMOS圖像傳感器對景物中明暗細節的分辨能力。通常用調制傳遞函數(MTF)來表示,同時也可以用空間頻率(lp/mm)來表示。

6、光電響應不均勻性

CMOS圖像傳感器是離散采樣型成像器件,光電響應不均勻性定義為CMOS圖像傳感器在標準的均勻照明條件下,各個像元的固定噪聲電壓峰峰值與信號電壓的比值。

7、光譜響應特性

CMOS圖像傳感器的信號電壓Vs和信號電流Is是入射光波長λ的函數。光譜響應特性就是指CMOS圖像傳感器的響應能力隨波長的變化關系,它決定了CMOS圖像傳感器的光譜范圍。

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圖像傳感器 像素:CMOS 圖像傳感器簡介(1):像素結構  第2張

圖像傳感器 像素:鏡頭分辨率和圖像傳感器的像素大小之間有什么樣的關系

鏡頭的分辯率是指在成像平面上1毫米間距內能分辨開的黑白相間的線條對數,單位是“線對/毫米”(lp/mm,line-pairs/mm)。
圖像傳感器由許多感光元件組成,每一個元件稱為一個像素。像素的數量對圖像質量有很大影響,像素數越多,對細節的展示越明顯,圖像的清晰程度越好。是CCD的主要性能標準,決定了顯示圖像的清晰程度,分辨率越高,圖像的細節表現越好。CCD是由面陣感光元素組成,每個元素稱為像素,像素越多,圖像越清晰。
鏡頭分辨率是無限大的,機身的分辨率由CMOS或者CCD來決定。

鏡頭的分辯率是指在成像平面上1毫米間距內能分辨開的黑白相間的線條對數,單位是“線對/毫米”(lp/mm,line-pairs/mm)。
圖像傳感器由許多感光元件組成,每一個元件稱為一個像素。像素的數量對圖像質量有很大影響,像素數越多,對細節的展示越明顯,圖像的清晰程度越好。是CCD的主要性能標準,決定了顯示圖像的清晰程度,分辨率越高,圖像的細節表現越好。CCD是由面陣感光元素組成,每個元素稱為像素,像素越多,圖像越清晰。
鏡頭分辨率是無限大的,機身的分辨率由CMOS或者CCD來決定。

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