CMOS图像传感器噪声综述

CMOS图像传感器及噪声研究综述

宗宗

摘要

目前，图像传感器市场主要有CMOS图像传感器和CCD图像传感器。CCD图像传感器由于其较高的填充因子FF(Fill Factor)和较低的固定模式躁声FPN(Fix Pattern Noise)已经得到广泛的应用，但因其存在着多电压，高功耗，低速度，难与CMOS集成等缺点，限制了它的应用，特别是在要求低电压低功耗的移动设备中应用。CMOS图像传感器上世纪60年代就已经出现，但因工艺和技术原因，存在严重的噪声问题，性能不够完善严重影响图像质量还被废弃。但自20世纪90年代以来进人世纪年代,由于对小型化、低功耗和低成本成像系统消费需要的增加, 芯片制造技术和信号处理技术的发展,为新一代低噪声、优质图像和高彩色还原度的CMOS传感器的开发铺平了道路, CMOS传感器的性能因此大大提高, CMOS图像传感器成为固体图像传感器的研究开发热点。

但在光线较暗条件下，CMOS图像传感器的噪声问题比较突出，这与器件和工艺本身关系较大。对于CMOS图像传感器噪声的研究有助于解决其不足，以保证其优势可以发挥，无论是对噪声的抑制，还是对器件工艺改进的引导都有较大意义。图像传感器市场比较大，对于兴起的CMOS图像传感器研发也是具有实际意义的。

本综述首先对目前CMOS图像传感器所用的技术和原理进行了研究介绍，然

后分别从CMOS本身晶体管和光电二极管噪声研究和当前技术结构所拥有的噪声进行了研究介绍，最后自己分析了减小噪声的大致方向。

一CMOS图像传感器主流结构

CMOS图像传感器的概念最早出现在20世纪60年代，但当时由于大规模集成电路工艺的限制未能进行研究。普遍意义上的CMOS图像传感器的研究是从80年代早期开始，而从实验室走向产品化则是在90年代早期。CMOS图像传感器的研发大致经历了3个阶段：CMOS无源像素传感器(CMOS—PPS。Passive Pixel Sensor)阶段、CMOS有源像素传感器(CMOS—APS，Active Pixel Sensor)阶段和CMOS数字

像素传感器(CMOS—DPS，Digital Pixel Sensor)阶段。

图1 CMOS图像传感器像素结构

1.1 无源像素传感器

PPS像元结构简单、面积很小。所以在给定的单元尺寸下，可设计出最高的填充系数(FiFactor．FF 又称“孔径系数”，即像元中有效光敏单元面积与像元总面积之比)；在给定的设计填充系数下，单元尺寸可设计的最小。并且，由于填充系数高和没有类似许多CCD中的多晶硅层叠，无源像素结构可获得较高的“量子效率”(即光生电子与入射光子数量之比)，从而有利于提高器件的灵敏度。

但是这种结构存在着2个方面的不足：其一，各像元中开关管的导通阈值难以完全匹配，所以即使器件所接受的入射光线完全均匀一致，其输出信号仍会形

成某种相对固定的特定图形，也就是所谓的“固有模式噪声”(Fixed Pattern Noise，FPN)，致使PPS的读出噪声很大，典型值为250个均方根电子，较大的固有模式噪声的存在是其致命的弱点；其二．光敏单元的驱动能量相对较弱，当图像传感器规模不断增大后，总线上电容相应增加传感器读出速度大幅降低，故而列线不宜过长以期减小其分布参数的影响。受多路传输线寄生电容及读出速率的限制，PPS难以向大型阵列发展。

1.2 有源像素传感器

这种结构相对无源像素传感器结构在像素单元里增加了有源放大管，于是减小了读出噪声并且它的读出速度也较快；由于有源像元的驱动能力较强，列线分布参数的影响相对较小，因而有利于制作像元阵列较大的器件；另外，由于有源放大管仅在读出状态下才工作，所以CMOS有源像素传感器的功耗比CCD图像传感器的还小。这种结构的APS量子效率比较高，由于采用了新的消噪技术，输出图形信号质量比以前有许多提高，读出噪声一般为75～100个电子。而像元本身具备的行选功能，对二维图像输出控制电路的简化颇有益处。

但是，有源像素传感器在提高性能的同时也付出了增加像素单元面积和减小“填充系数(Fill Factor)”的代价。APS像元结构复杂，与PPS像元结构相比(无源像元的孔径效率多在60％～80％之间)，其填充系数较小，设计填充系数典型值为20％～30％，与行间转移CCD接近，因而需要一个较大的单元尺寸。为了补偿有源像素填充系数不高引起的不足，CMOS器件往往借用CCD制造工艺中现有的“微透镜”技术就是在器件芯片的常规制作工序完成后，再利用光刻技术在每个像元的表面直接制作一个微型光学透镜借以对入射光进行会聚，使之集中投射于像元的光敏单元，从而可将有源像元的有效填充系数提高2～3倍，提高信号

质量。深亚微米技术的采用将会大幅提高填充率。

1.3 数字像素图像传感器

上面提到的无源像素传感器和有源像素传感器的像素读出均为模拟信号，于是它们又通称为模拟像素传感器。近年来，美国斯坦福大学提出了一种新的CMOS 图像传感器结构一数字像素传感器(DPS)，在像素单元里集成了ADC(Analog—to —Digital Convertor)和存储单元，如图1(c)所示。由于这种结构的像素单元读出为数字信号，其它电路都为数字逻辑电路，因此数字像素传感器的读出速度极快，具有电子快门的效果，非常适合高速应用，而且它不像读出模拟信号的过程，不存在器件噪声对其产生干扰。另外，由于DPS充分利用了数字电路的优点，因此易于随着CMOS工艺的进步而提高解析度，性能也将很快达到并超过CCD图像传感器，并且实现系统的单片集成。数字像素图像传感器的主要缺点在于因为增加了像素单元的晶体管数目而需要较大的像素单元面积，而且随着芯片加工工艺的不断发展，接口电压在不断降低，漏电流也在不断增加，DPS的设计和制造也面临着较大的挑战。目前，这种传感器还处于研究阶段。

以上介绍了3种不同类型的图像传感器结构，其中发展最快的是CM0S—APS。这种类型的图像传感器器件已经进入商品化和实用化阶段，但是对全面改善CM0S—APS性能的研究工作还在深入进行。CMOS图像传感器能够快速发展，一是基于固体图像传感器技术的研究成果，二是得益于CMOS集成电路工艺技术的成熟。在CMOS取代CCD的进程中．生产工艺将是弥补CMOS图像质量和亮度不足的关键。

1.4 4T-APS结构

上一节介绍了3种不同传感器结构，其中主流为APS结构。这其中3T-APS和

4T-APS是最常用的。3T-APS像素由于自身结构的关系, 暗电流不能得到很好的控制, 性能难以满足较高的要求为满足需要,4T-APS 像素结构应运而生, 它比3T-APS像素有更小的噪声, 更好的性能同时要求控制部分更加复杂。

在ＣＩＳｓ像素的各种结构中，３Ｔ像素有很高的填充因子（ＦｉｌｌＦａｃｔｏｒ，ＦＦ），但其对ＫＴ／Ｃ噪声的抑制能力较差；而５Ｔ及更复杂的像素结构由于其较低的ＦＦ，很难在超大规模ＣＩＳｓ中应用．４Ｔ－APS像素结构是目前ＣＩＳs的主流结构之一，该结构有利于相关双采样（ＣｏｒｒｅｌａｔｅｄＤｏｕｂｌｅＳａｍｐｌｉｎｇ，ＣＤＳ）技术的运用，有效抑制噪声，并且有较高的ＦＦ，利于扩展动态围，常应用于大阵列的ＣＩＳｓ设计中．４Ｔ－ＡＰＳ像素结构如图１所示，该结构由钳位光电二极管（Ｐｉｎｎｅｄ－Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ，ＰＰＤ）、传输管ＭＴＧ、复位管ＭＲＳＴ、源极跟随器ＭＳＦ和行选管ＭＲＳ组成。

图2 Ｐｉｎｎｅｄ型４Ｔ－ＡＰＳ像素结构示意图

二CIS噪声分析

噪声一直是限制CMOS图像传感器占领市场的重要因素之一。目前用于科学研究的高性能CCD能达到的噪声水平为3～5个电子，而CMOS图像传感器则为300-500个电子。

CMOS图像传感器的主要噪声来源有像素光敏单元的光电二极管，场效应管及图像传感器工作时产生的其它噪声。其中光电二极管产生的噪声有热噪声，散粒噪声，产生复合噪声及电流噪声。MOS场效应管，包括放大器中的场效应管和用于行列选址模拟开关的场效应管，引起的噪声主要有热噪声，诱生栅极噪声及电流噪声。而光敏阵列和MOS场效应管构成的CMOS图像传感器在工作中，还会引进其它的噪声，比如复位噪声（KTC噪声）和空间噪声等。

图3 CMOS 图像传感器在信号传递过程中产生的的各种噪声示意图

2.1 时间噪声分析

在噪声分析过程中，我们可以用时间域随机过程和空间域随机过程来描述CMOS图像传感器信号传送过程中产生的各种噪声。在图像最终输出的信号中我们得到的是时空域统一的图像噪声。

关于时间噪声随光强变化而变化的趋势我们在第四小节的三维噪声模型实验来验证，时间噪声也称为随机噪声，在这一部分我们主要考虑的时间噪声有热噪声，散粒噪声，复位噪声，低频噪声等。

(1) 热噪声

热噪声是由于光电器件中电子的随机热振动产生的，存在于任何电子器件和电阻中，比如场效应管的导电沟道电阻。在场效应管中，电子的随机运动导致沟道电势的起伏，栅极电压的波动，从而产生热噪声。它是一种白噪声。1928 年，奈奎斯特提出了热噪声的均方电压表达式为：

f KT U RMS ∆=42

其中，K 是玻尔兹曼(Boltzmann)常数，T 是器件的绝对工作温度，Δf 为带宽。热噪声可以通过降低器件工作温度来抑制。

(2) 散粒噪声

散粒噪声服从泊松分布，是由于光电传感器件工作时所加的偏置电流中的电子越 过光电二极管的PN 结时所产生的，散粒噪声的电流均方值为：

f qI i RMS ∆=022

其中，q 为单个电子电荷量， 0I 为所加的偏置电流的值，由式中我们可以看出，散 粒噪声的大小与偏置电流的值成正比。降低散粒噪声的一个方法是减小偏置电流，但 是可能会引起光电响应度的降低和光电响应非线性的升高。

(3) 产生复合噪声

产生复合噪声是光电子器件所特有的噪声，是由于光生载流子的产生和复合围绕 一个均值涨落，引起电流起伏，从而形成噪声。产生复合噪声的表达式如下：

2220202

14τωτρ+∆=f I i 其中， 为光生载流子产生率，τ 是载流子寿命，ω 为测量频率。

（4) 1/f 噪声

1/f 噪声也称低频噪声，电流噪声。产生的原因比较复杂，光敏元件中的低频噪声是由于器件工艺杂质或缺陷损伤引起的，而在场效应管中，则与MOS 管的表面状态相关。因其大小与频率成正比，所以叫1/f 噪声。它的电流均方值为：

βαf f kI i nf

∆=2

其中， α ，β 和k 都是常数，I 为器件中的电流。由式中我们可以看出，低频噪声的大小于工作频率成反比，因此提高工作频率可以减小低频噪声，但是

由于CMOS 传感器帧频的限制，CMOS 器件的工作频率不可能很高，低频噪声是不可避免的。

2.2 空间噪声分析

空间噪声有固定模式噪声（FPN ），光响应非均匀性，热图案噪声等。空间噪声是由制作工艺缺陷或者材料掺杂浓度等原因引起的，且不随时间改变的固有噪声。

其中，暗电流不均匀引起的固定模式噪声和像素缺陷引起的光响应非均匀性(PRNU)属于模式噪声。固定模式噪声和光响应非均匀性都与时间无关，FPN 与光照无关，PRNU 则是与光照相关的变量。

通常采用相关双采样电路来对固定模式噪声来进行抑制，即将两次分别采样得到的积分和复位信号求差，从而消除了放大和复位电路引入的噪声。

2.3 ４Ｔ－ＡＰＳ本底噪声分析

在４Ｔ－ＡＰＳ像素中，本底噪声是制约动态围的一个主要因素．通常，将暗光条件下限制图像质量的噪声称为本底噪声，主要包括暗电流的散粒噪声、 源极跟随器ＭＳＦ的１/ｆ 噪声和热噪声.

2.3.1 散粒噪声

研究表明，暗散粒噪声的电子数为暗电子数的平方根，即:

dark dark shat n n _

式中，ｎｓｈｏｔ＿ｄａｒｋ表示由暗电流产生的散粒噪声的均方根电子数。

为了减小暗散粒噪声来抑制本底噪声，需要减小暗电流．研究表明，ＣＩ

Ｓｓ暗电流主要来自于ＰＰＤ周边的各种复合中心。减小暗电流在工艺方面的主要工作就是尽可能减少这些复合中心的出现，或者将其与光电荷收集区隔离开来，以阻止复合中心产生的暗电流被收集。

2.3.2 ＫＴ/Ｃ噪声及热噪声

在４Ｔ结构像素中，采样所得的复位信号和光信号中ＫＴ／Ｃ噪声的相关性为１，即两次ＣＤＳ采样包含同样大小的ＫＴ／Ｃ噪声分量，故而ＣＤＳ技术能完全消除该噪声分量．然而，对于源极跟随器ＭＳＦ的热噪声，由于两次采样的相关性小于１，故不能被完全消除。

2.3.3 1/f 噪声

在像素结构中，由于复位管的ＫＴ/Ｃ噪声能被ＣＤＳ技术有效消除，因而相对分量较小的源极跟随器１/ｆ噪声成为ＣＤＳ技术后４Ｔ－ＡＰＳ的主要本底噪声分量．但如果ＣＤＳ的两次采样间隔很短，则两次采样所得的１/ｆ噪声也有一定的相关性，所以ＣＤＳ技术一定程度上也能减小１/ｆ噪声。

2.4 噪声的抑制方法

ＣＭＯＳ图像传感器已日渐成为主流的图像传感器，由于人们对其成像质量要求的进一步提高，抑制噪声成为一个必然的要求。

噪声的抑制找了各方面的资料后总结出主要通过两个大的方面来进行抑制，一是在源头阶段获取更少的噪声，而是在获取了含噪声信号后通过适当的算法来减小噪声的影响，还原图像质量。

2.4.1 工艺和结构的抑制方法

暗电流抑制除了正常的减少复合中心出现或者将其与光电荷收集区隔离起来外还有两种措施：：（１）隔离ＳＴＩ与ＰＰＤ的耗尽区，可将ＳＴＩ做在Ｐ阱

中，Ｐ阱的掺杂浓度可与Ｐ＋相比拟，高的Ｐ型掺杂使Ｓｉ－ＳｉＯ２界面空间电荷区变薄，减少了复合中心的产生，从而减小了Ｉｓ对暗电流的贡献；（2）降低ＰＰＤ型光电二极管的夹断电压，能减小穿透电流Ｉｔ和耗尽区的产生－复合电流Ｉｇ－ｒ。

降低热噪声和1/f噪声的CDS结构如上图所示，通过此结构可以大幅提高传感器的动态围。

2.4.2 对图像数据进行何时算法抑制噪声的方法

图像增强的目的是对图像进行加工，得到对观察者来说更“好”或者更“有用”的图像。目前常用的图像增强方法有两类，基于图像域的方法和基于变换域的方法。基于图像域的方法直接在图像平面本身进行处理，包括处理过程是对单个像素进行的点处理或者根据模板进行处理。基于变换域的方法通过图像的变换域进行处理，即根据需要修改图像的傅立叶变换。

增强算法主要分为空间域图像增强和频域图像增强。同时判断噪声后还可以通过不同的滤波来进行降噪，对于椒盐噪声，选择中值滤波进行降噪，对于高斯噪声，选择均值滤波进行降噪。

三总结

本文主要从CMOS结构介绍开始引入了与结构相对应的噪声分析。其中特别

分析了现今最常用的4T-APS结构，对该结构下不同的本底噪声均转化为等效输入噪声电子数来定量分析，并分别提出了抑制措施，提高了图像动态围，对ＣＩＳｓ的研究有指导意义。另外在不同设计层次也给出了另外的抑制噪声的算法来削弱噪声的影响。

参考文献：

1.王粒子．ＣＭＯＳ光电探测器暗电流削减技术研究和相关电路设计［Ｄ］．上

海：复旦大学，２００７

2.拉扎维．模拟ＣＭＯＳ集成电路设计［Ｍ］．贵灿，程军，瑞智，译．：交通

大学，２００３：２５－３５３．

3.ＣＭＯＳ图像传感器４Ｔ像素本底噪声分析.栋，文平，冰，炘，何

杰. :微电子技术研究所

4.Characteristics of random telegraph signal noise in time delay integration

CMOS image sensor Han, Liqiang (School of Electronic Information Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China); Yao, Suying; Xu, Jiangtao; Xu, Chao Source: Microelectronics Reliability, v 53, n 3, p 400-404, March 2013

CMOS传感器

CMOS传感器 CMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor），中文学名为互补金属氧化物半导体，它本是计算机系统内一种重要的芯片，保存了系统引导最基本的资料。后来发现CMOS经过加工也可以作为数码摄影中的图像传感器，CMOS传感器也可细分为被动式像素传感器（Passive Pixel Sensor CMOS）与主动式像素传感器（Active Pixel Sensor CMOS）。CCD和CMOS采用类似的色彩还原原理，但是CMOS传感器信噪比差，敏感度不够的缺点使得目前CCD技术占据了数码摄影大半壁江山。不过CMOS技术也有CCD 难以比拟的优势，普通CCD必须使用3个以上的电源电压，而CMOS在单一电源下就可以运作，因而CMOS耗电量更小，与CCD产品相比，CMOS是标准工艺制程，可利用现有的半导体制造流水线，不需额外投资设备，且品质可随半导体技术的提升而进步，CMOS传感器的最大优势是售价比CCD便宜近1/3。 同时,CMOS传感器的这些优点也多用于手机图象处理当中. 信噪比,即SNR（Signal to Noise Ratio）又称为讯噪比，狭义来讲是指放大器的输出信号的电压与同时输出的噪声电压的比，常常用分贝数表示。设备的信噪比越高表明它产生的杂音越少。一般来说，信噪比越大，说明混在信号里的噪声越小，声音回放的音质量越高，否则相反。信噪比一般不应该低于70dB，高保真音箱的信噪比应达到110dB以上。 解析 [编辑本段] 信噪比是音箱回放的正常声音信号与无信号时噪声信号(功率)的比值。用dB表示。例如，某音箱的信噪比为80dB，即输出信号功率比噪音功率大80dB。信噪比数值越高，噪音越小。 “噪声”的简单定义就是：“在处理过程中设备自行产生的信号”，这些信号与输入信号无关。对于MP3播放器来说，信噪比都是一个比较重要的参数，它指音源产生最大不失真声音信号强度与同时发出噪音强度之间的比率称为信号噪声比，简称信噪比（Signal/Noise），通常以S/N表示，单位为分贝（dB）。对于播放器来说，该值当然越大越好。 目前MP3播放器的信噪比有60dB、65dB、85dB、90dB、95dB等等，我们在选择MP3的时候，一般都选择60dB以上的，但即使这一参数达到了要求，也不一定表示机子好，毕竟它只是MP3性能参数中要考虑的参数之一。

cmos传感器工作原理

cmos传感器工作原理 CMOS传感器是一种常见的数字图像传感器，广泛应用于数码相机、手机摄像头、安防监控等领域。它具有低功耗、高集成度、低噪声等优点，成为了替代CCD传感器的主流技术。本文将详细介绍CMOS 传感器的工作原理。 一、CMOS传感器的基本结构 CMOS传感器由像素阵列和读出电路两部分组成。像素阵列由大量光敏元件（也称为光电二极管或光电晶体管）组成，每个光敏元件对应一个像素点，用于接收光信号并转换为电信号。读出电路负责将每个像素点产生的电信号放大并转换为数字信号输出。 二、CMOS传感器的工作原理 1. 光敏元件的工作原理 光敏元件是CMOS传感器中最基本的单元，它由一个PN结构组成。当光线照射到PN结时，会产生载流子（即正负离子对），其中正离子向P区移动，负离子向N区移动，在PN结上形成电荷分布。这些电荷会被收集到P型或N型衬底上，并形成电压信号。这个过程称为

光电转换。 2. 像素点的输出原理 每个像素点都有一个对应的读出电路，用于将光敏元件产生的电信号放大并转换为数字信号输出。读出电路通常由放大器、采样器和模数转换器等组成。其中，放大器负责将微弱的电信号放大到一定程度，采样器负责对放大后的信号进行采样，模数转换器将采样后的模拟信号转换为数字信号输出。 3. CMOS传感器的工作流程 当光线照射到CMOS传感器上时，每个像素点都会产生一个电荷，并通过读出电路被转化为数字信号输出。具体流程如下： （1）曝光阶段：当快门打开时，光线进入镜头并照射到CMOS传感器上。此时，每个像素点会产生一定数量的电荷。 （2）清除阶段：曝光结束后，需要将所有像素点中残留的电荷清零。这个过程称为清除。 （3）读出阶段：在清除完成后，开始进行读出操作。每个像素点中产生的电荷会被读出并通过放大、采样和模数转换等步骤转化为数字信

CMOS图像传感器

CMOS图像传感器 2.1 CMOS 图像传感器概述 CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）是互补金属氧化物半导体。CMOS 图像传感器是一种利用光电技术原理所制造的图像传感元件。其感光像素的构成是阵列式结构，它主要是以MOS电容或是p-n结感光二极管组成的，是将光敏感光单元阵列( 感光二极管) 、放大器、A/D 转换器、数字信号处理器行阵列驱动器、列时序控制逻辑单元、DATA 总线输出接口以及控制接口等部分采用传统的芯片工艺方法集成在一块硅片板上。CMOS 图像传感器最早出现于1969 年，与CCD（电荷耦合器件）图像传感器的研究几乎是同时起步的，其优点是功耗小，成本低，速度快，但由于受到早期制造工艺技术水平的限制，CMOS 图像传感器分辨率低，噪声大，光照灵敏度弱，图像质量差，没有得到充分的重视和发展，而CCD器件因为光照灵敏度高等优点一直主宰着图像传感器市场。随着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，现在都在被有效地克服，其固有的优点更是CCD器件无法比拟的，因而再次成为研究的热点，获得了迅速的发展，有着广阔的应用前景。 迄今为止，图像传感器已经有四十余年的发展历史[6]。1966 年，西屋公司研发出50×50的单片式光敏晶体管阵列。1967 年，仙童公司开发出100×100 的光敏二极管阵列。1968年，英国的Noble 报道了利用表面光敏二极管和沟道光敏二极管制造的图像传感器，描述了用于读出电荷的积分放大器。1970 年，FryNoble 和Ryceoft 讨论了固定模式噪声(FPN)的形成和抑制方法，固定模式噪声一直是CMOS 的主要难点问题。70 年代初CMOS 图像传感器在NASA 的JPL 研制成功，80 年代末爱丁堡大学成功研制出了世界第一块单片CMOS 图像传感器件，1995 年，喷气推进实验室首先研制成功了像元数为(128×128)的高性能CMOS 有源像素图像传感器，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，同一年，实用CMOS 技术的特征尺寸已经达到0.35um，日本东芝公司研制成功了光敏二极管型APS CMOS，具有彩色滤色膜和微透镜阵列，其像元尺寸为5.6um×5.6um，2000年，美国斯坦福大学和东芝联合采用0.35um技术研制出的CMOS-APS，目前已成为开发超微型CMOS 摄像机的主流产品。 2.2 CMOS图像传感器的组成 COMS图像传感器的原理图如 2.1所示，它的主要组成部分是象敏单元阵列和CMOS场效应管集成电路，而且这两部分是集成在同一硅片上的。象敏单元组按照X 方

CMOS图像传感器噪声综述

CMOS图像传感器及噪声研究综述 宗宗 摘要 目前，图像传感器市场主要有CMOS图像传感器和CCD图像传感器。CCD图像传感器由于其较高的填充因子FF(Fill Factor)和较低的固定模式躁声FPN(Fix Pattern Noise)已经得到广泛的应用，但因其存在着多电压，高功耗，低速度，难与CMOS集成等缺点，限制了它的应用，特别是在要求低电压低功耗的移动设备中应用。CMOS图像传感器上世纪60年代就已经出现，但因工艺和技术原因，存在严重的噪声问题，性能不够完善严重影响图像质量还被废弃。但自20世纪90年代以来进人世纪年代,由于对小型化、低功耗和低成本成像系统消费需要的增加, 芯片制造技术和信号处理技术的发展,为新一代低噪声、优质图像和高彩色还原度的CMOS传感器的开发铺平了道路, CMOS传感器的性能因此大大提高, CMOS图像传感器成为固体图像传感器的研究开发热点。 但在光线较暗条件下，CMOS图像传感器的噪声问题比较突出，这与器件和工艺本身关系较大。对于CMOS图像传感器噪声的研究有助于解决其不足，以保证其优势可以发挥，无论是对噪声的抑制，还是对器件工艺改进的引导都有较大意义。图像传感器市场比较大，对于兴起的CMOS图像传感器研发也是具有实际意义的。 本综述首先对目前CMOS图像传感器所用的技术和原理进行了研究介绍，然

后分别从CMOS本身晶体管和光电二极管噪声研究和当前技术结构所拥有的噪声进行了研究介绍，最后自己分析了减小噪声的大致方向。

一CMOS图像传感器主流结构 CMOS图像传感器的概念最早出现在20世纪60年代，但当时由于大规模集成电路工艺的限制未能进行研究。普遍意义上的CMOS图像传感器的研究是从80年代早期开始，而从实验室走向产品化则是在90年代早期。CMOS图像传感器的研发大致经历了3个阶段：CMOS无源像素传感器(CMOS—PPS。Passive Pixel Sensor)阶段、CMOS有源像素传感器(CMOS—APS，Active Pixel Sensor)阶段和CMOS数字 像素传感器(CMOS—DPS，Digital Pixel Sensor)阶段。 图1 CMOS图像传感器像素结构 1.1 无源像素传感器 PPS像元结构简单、面积很小。所以在给定的单元尺寸下，可设计出最高的填充系数(FiFactor．FF 又称“孔径系数”，即像元中有效光敏单元面积与像元总面积之比)；在给定的设计填充系数下，单元尺寸可设计的最小。并且，由于填充系数高和没有类似许多CCD中的多晶硅层叠，无源像素结构可获得较高的“量子效率”(即光生电子与入射光子数量之比)，从而有利于提高器件的灵敏度。 但是这种结构存在着2个方面的不足：其一，各像元中开关管的导通阈值难以完全匹配，所以即使器件所接受的入射光线完全均匀一致，其输出信号仍会形

CMOS图像传感器参数

CMOS图像传感器参数◆1、传感器尺寸 CMOS图像传感器的尺寸越大，则成像系统的尺寸越大，捕获的光子越多，感光性能越好，信噪比越低。目前，CMOS图像传感器的常见尺寸有1英寸、2/3英寸、1/2英寸、1/3英寸、1/4英寸等。 ◆2、像素总数和有效像素数 像素总数是指所有像素的总和，像素总数是衡量CMOS图像传感器的主要技术指标之一。CMOS图像传感器的总体像素中被用来进行有效的光电转换并输出图像信号的像素为有效像素。显而易见,有效像素总数隶属于像素总数集合。有效像素数目直接决定了CMOS图像传感器的分辨能力。 ◆3、动态范围 动态范围由CMOS图像传感器的信号处理能力和噪声决定,反映了CMOS图像传感器的工作范围。参照CCD的动态范围,其数值是输出端的信号峰值电压与均方根噪声电压之比,通常用DB表示。 ◆4、灵敏度

图像传感器对入射光功率的响应能力被称为响应度。对于CMOS图像传感器来说,通常采用电流灵敏度来反映响应能力,电流灵敏度也就是单位光功率所产生的信号电流。 ◆5、分辨率 分辨率是指CMOS图像传感器对景物中明暗细节的分辨能力。通常用调制传递函数(MTF)来表示,同时也可以用空间频率(lp/mm)来表示。 ◆6、光电响应不均匀性 CMOS图像传感器是离散采样型成像器件,光电响应不均匀性定义为CMOS图像传感器在标准的均匀照明条件下,各个像元的固定噪声电压峰峰值与信号电压的比值。 ◆7、光谱响应特性 CMOS图像传感器的信号电压Vs和信号电流Is是入射光波长λ的函数。光谱响应特性就是指CMOS 图像传感器的响应能力随波长的变化关系,它决定了CMOS图像传感器的光谱范围。

CMOS图像传感器基本原理与应用简介

CMOS图像传感器原理与应用简介 摘要：本文介绍了CMOS图像传感器器件的原理、性能、优点、问题及应对措施，以及CMOS图像传感器的市场状况和一些应用领域。 Brief introduction of principle and applications of CMOS image sensor Abstract: This paper introduces the principle, performance, advantages also with the problems and solutions of CMOS image sensor. The market status and applications are also given in this essay. 北京航空航天大学李育琦1引言 图像传感器是将光信号转换为电信号的装置，在数字电视、可视通信市场中有着广泛的应用。60年代末期，美国贝尔实脸室发现电荷通过半导体势阱发生转移的现象，提出了固态成像这一新概念和一维CCD(Charge-Coupled Device电荷耦合器件)模型器件。到90年代初，CCD技术已比较成热，得到非常广泛的应用。但是随着CCD应用范围的扩大，其缺点逐渐暴露出来。首先，CCD技术芯片技术工艺复杂，不能与标准工艺兼容。其次，CCD技术芯片需要的电压功耗大，因此CCD技术芯片价格昂贵且使用不便。目前，最引人注目，最有发展潜力的是采用标准的CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor 互补金属氧化物场效应管)技术来生产图像传感器，即CMOS图像传感器。CMOS图像传感器芯片采用了CMOS工艺，可将图像采集单元和信号处理单元集成到同一块芯片上。由于具有上述特点，它适合大规模批量生产，适用于要求小尺寸、低价格、摄像质量无过高要求的应用，如保安用小型、微型相机、手机、计算机网络视频会议系统、无线手持式视频会议系统、条形码扫描器、传真机、玩具、生物显微计数、某些车用摄像系统等大量商用领域。20世纪80年代，英国爱丁堡大学成功地制造出了世界上第一块单片CMOS图像传感器件。目前，CMOS图像传感器正在得到广泛的应用，具有很强地市场竞争力和广阔地发展前景。 2 CMOS图像传感器基本工作原理

CMOS与CCD图像传感器比较

CMOS与CCD图像传感器比较 ——机制班张波摘要：本文简要介绍了CMOS和CCD图像传感器的工作原理，并对二者进行了性能比较，综述了两种传感器在未来的发展趋势。 1．引言 CMOS与CCD图像传感器相比具有功耗低、摄像系统尺寸小、可将信号处理电路与MOS图像传感器集成在一个芯片上等优点但其图像质量( 特别是低亮度环境下) 与系统灵活性与CCD的相比相对较低[1]。 CCD与CMOS图像传感器相比具较好的图像质量和灵活性仍然保持高端的摄像技术应用如天文观察、卫星成像、高分辨率数字照片、广播电视、高性能工业摄像、大部分科学与医学摄像等应，CCD器件的灵活性体现为与采用CMOS 器件相比，用户可构建更多不同的摄像系统。 2．基本原理 图1所示为CMOS图像传感器工作原理框图。光子转换为电子后直接在每个像元中完成电子电荷-电压转换。这种信号转换与读出技术的不同对两种图像传感器的结构、性能及其性能的限制产生明显的影响。相机的大部分功能集成在图像传感器芯片上。这使传感器的功能应用弹性较小，但由于集成度高、结构紧密，CMOS相机可应用于小尺寸摄像，可适应恶劣的环境，具有更高的可靠性[2]。 图1 CMOS图像传感器工作原 图2所示为CCD图像传感器工作原理框图，器件完成曝光后光子通过像元转换为电子电荷包，电荷包顺序转移到共同的输出端，通过输出放大器将大小不同的电荷包（对应不同强弱的光信号）转换为电压信号，缓冲并输出到芯片外的信号处理电路。

图2 CCD图像传感器工作原理 3．性能比较[3] CMOS图像传感器与CCD图像传感器相比，具有功耗低、摄像系统尺寸小、可将信号处理电路与MOS图像传感器集成在一个芯片上等优点。但其图像质量（特别是低亮度环境下）与系统灵活性与CCD相比相对较低。表1列出CCD与CMOS图像传感器的特点，从表中可见CMOS与CCD图像传感器各有特点，二者互为补充，不会出现谁消灭谁的结局)，在可预见的未来将并存发展，共同繁荣图像传感器市场。 表1 CCD与CMOS图像传感器的特点 （1）灵敏度 灵敏度代表传感器的光敏单元收集光子产生电荷信号的能力，CCD图像传感器灵敏度较CMOS图像传感器高30%~ 50%。 （2）分辨率 CMOS图像传感器上集成有放大器、定时器和ADC 等电路，每个像素都比CCD复杂，因而电路所占像素的面积也大，所以相同尺寸的传感器，CCD 可以做得更密。通常CCD图像传感器的分辨率会优于CMOS图像传感器。

(完整)CMOS和CCD图像传感器六大主要技术指标

CMOS和CCD图像传感器六大主要技术指标评判一款产品性能好坏，总有几个技术指标。对于CCD和CMOS传感器来说，同样也有几个硬性指标。“传感器的主要技术指标有像素、靶面尺寸、感光度、电子快门、帧率、信噪比等。” 像素。传感器上有许多感光单元,它们可以将光线转换成电荷，从而形成对应于景物的电子图像。而在传感器中，每一个感光单元对应一个像素(Pixels),像素越多，代表着它能够感测到更多的物体细节，从而图像就越清晰。像素越高，意味着成像效果越清晰; 靶面尺寸。据天地伟业的郭辉介绍：“图像传感器感光部分的大小。一般用英寸来表示,和电视机一样，通常这个数据指的是这个图像传感器的对角线长度，如常见的有1/3英寸,靶面越大,意味着通光量越好,而靶面越小则比较容易获得更大的景深.比如1/2英寸可以有比较大的通光量,而1/4英寸可以比较容易获得较大的景深。” 感光度。即是通过CCD或CMOS以及相关的电子线路感应入射光线的强弱。感光度越高，感光面对光的敏感度就越强，快门速度就越高,这在拍摄运动车辆,夜间监控的时候尤其显得重要； 电子快门。是比照照相机的机械快门功能提出的一个术语.其控制图像传感器的感光时间，由于图像传感器的感光值就是信号电荷的积累，感光越长，信号电荷积累时间也越长，输出信号电流的幅值也越大.电子快门越快，感光度越低，适合在强光下拍摄； 帧率.既指单位时间所记录或者播放的图片的数量，连续播放一系列图片就会产生动画效果,根据人类的视觉系统，当图片的播放速度大于15幅/秒的时候，人眼就基本看不出来图片的跳跃;在达到24幅/s～30幅/s之间时就已经基本觉察不

到闪烁现象了。每秒的帧数（fps)或者说帧率表示图形传感器在处理场时每秒钟能够更新的次数。高的帧率可以得到更流畅、更逼真的视觉体验； 信噪比.是信号电压对于噪声电压的比值，信噪比的单位用dB来表示。一般摄像机给出的信噪比值均是AGC(自动增益控制）关闭时的值，因为当AGC接通时，会对小信号进行提升，使得噪声电平也相应提高。信噪比的典型值为45~55dB，若为50dB,则图像有少量噪声，但图像质量良好;若为60dB，则图像质量优良，不出现噪声，信噪比越大说明对噪声的控制越好。 本文转载:重庆安防公司

CMOS图像传感器中的视觉信号处理技术研究

CMOS图像传感器中的视觉信号处理技术研 究 第一章绪论 CMOS图像传感器是一种基于CMOS工艺制造的图像传感器，具有低功耗、高集成度、成像速度快等优势。同时，视觉信号处 理技术是CMOS图像传感器技术中的关键环节，对CMOS图像传 感器的成像质量和性能影响非常大。因此，对CMOS图像传感器 中的视觉信号处理技术进行研究和优化具有重要的意义。 本文将对CMOS图像传感器中的视觉信号处理技术进行探讨，从图像信号增强、去噪、边缘检测、分割、识别等方面进行论述，旨在为相关科研工作者和技术人员提供一定的参考和借鉴。 第二章图像信号增强技术 图像信号增强技术是指对图像信号进行滤波或其他处理，以提 高图像质量和清晰度的技术。在CMOS图像传感器中，图像信号 增强技术可以用来提高图像的对比度、清晰度和细节等方面。常 用的图像增强方法包括直方图均衡化、灰度变换、滤波等。 直方图均衡化是一种常用的图像增强方法，其基本思想是通过 对图像的亮度分布进行统计分析，得出图像的灰度直方图，然后 通过调整灰度值分布来增强图像对比度和清晰度。在CMOS图像

传感器中，直方图均衡化可以用于提高光照均匀的场景下的图像 质量，如室内照明不均匀、夜间低光量等场景。 灰度变换是另一种常用的图像增强方法，其基本思想是将原图 像的灰度级经过某种变换后得到一个新的灰度级。通过确定变换 函数的形式和参数，可以调整图像亮度和对比度等参数，以达到 增强图像的目的。在CMOS图像传感器中，灰度变换可以用于对 不同亮度场景下的图像进行在线调整，以提高图片的质量和可读性。 滤波是另一种常用的图像增强方法，其基本思想是对图像信号 进行卷积操作，以去除噪声和增强图像特征。常用的滤波方法包 括高通滤波、低通滤波、中值滤波等。在CMOS图像传感器中， 滤波可以用于去除CMOS图像传感器输出信号中的噪声和干扰， 提高图像的质量和可靠性。 第三章图像去噪技术 图像噪声是指图像中包含的非目标信号，它会降低图像的质量 和清晰度。图像去噪技术是指通过滤波、波谷、小波变换等算法，消除图像中的噪声干扰，以提高图像质量和可读性。在CMOS图 像传感器中，图像去噪技术可以用于去除CMOS图像传感器输出 信号中的噪声和干扰，以提高图像的质量和可靠性。

信息光学中的图像传感器分类及比较

信息光学中的图像传感器分类及比较信息光学作为近年来发展迅猛的领域之一，在现代光学应用中扮演着重要角色。而图像传感器作为信息光学领域中的核心技术之一，广泛应用于数码摄影、工业检测、医学影像和安防监控等领域。本文将对信息光学中的图像传感器进行分类及比较，以便更好地理解和应用这一技术。 一、基于结构分类 1. CMOS图像传感器 CMOS图像传感器（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor Image Sensor）是一种常见的图像传感器类型，其利用CMOS工艺制造而成。CMOS图像传感器具有功耗低、集成度高的优点，适用于便携式设备和低功耗应用。它能直接将光信号转换为电信号，并通过信号放大电路、数据处理器等模块将其转化为图像。CMOS图像传感器价格较低，生产工艺成熟，广泛应用于数码相机、智能手机等消费电子产品中。 2. CCD图像传感器 CCD图像传感器（Charge-Coupled Device Image Sensor）是另一种常见的图像传感器类型。CCD图像传感器利用电荷耦合设备，通过感光电荷转移实现对光信号的转换。它具有高灵敏度、低噪声等优点，适用于对图像质量要求较高的应用领域，如医学影像和天文观测。然

而，由于CCD图像传感器生产工艺复杂且成本较高，其在消费电子领 域的应用逐渐受到CMOS图像传感器的挤压。 二、基于工作原理分类 1. 主动像素传感器（APS） 主动像素传感器是一种晶体管压缩感光器件，通过在像素单元中集 成源极隔离晶体管和像元选通电路，实现对每个像素单元的独立控制。主动像素传感器在图像捕获和信号处理方面具有灵活性和高度集成化 的优势，使得其应用范围更加广泛。CMOS图像传感器就属于主动像 素传感器的范畴。 2. 被动像素传感器（PPS） 被动像素传感器是一种光电二极管压缩感光器件，它利用光电二极 管直接接收和转换光信号，缺乏源极隔离晶体管和选通电路。被动像 素传感器简化了传感器结构，并具有较高的光电转换效率和捷变时间 响应。CCD图像传感器就属于被动像素传感器的范畴。 三、比较与应用 CMOS图像传感器和CCD图像传感器在结构和工作原理上存在差异，因此在应用方面也有一些区别。 首先，在成像质量上，由于CCD图像传感器采用被动像素结构、 高灵敏度设计以及较低的噪声水平，使得其在动态范围和低光条件下 的成像质量优于CMOS图像传感器。因此，在对图像质量要求较高的 领域，如天文观测和医学影像，CCD图像传感器仍然占据一席之地。

cmos噪声容限

cmos噪声容限 CMOS噪声容限 CMOS（互补金属氧化物半导体）是一种常见的集成电路制造技术，广泛应用于各种电子设备中。然而，与其他电子元件一样，CMOS也存在噪声问题。噪声是指电路中不希望的随机信号，会对电路的性能和可靠性产生负面影响。在CMOS电路中，噪声容限是评估其性能的重要指标之一。 噪声容限是指在特定的工作条件下，电路能够正常工作的最低信号级别。在CMOS电路中，噪声主要包括热噪声、亚阈值噪声和1/f噪声。 热噪声是由于温度引起的电子随机运动而产生的。在CMOS电路中，电阻是主要的热噪声源。由于电阻存在，电子在通过电阻时会碰撞并产生随机的电流波动，进而产生热噪声。热噪声的大小与电阻值、温度和带宽有关。为了降低热噪声，可以采用低阻值材料、降低电路温度和减小带宽等方法。 亚阈值噪声是由于CMOS晶体管的亚阈值电流引起的。亚阈值电流是指在晶体管处于亚阈值区时，由于电子的随机运动而产生的电流。亚阈值噪声与晶体管的尺寸、工作电压和温度有关。为了降低亚阈值噪声，可以采用尺寸更大的晶体管、降低工作电压和降低温度等方法。

1/f噪声是一种频率随信号幅度变化的噪声。在CMOS电路中，1/f 噪声是由于电荷注入和抽取不均匀引起的。1/f噪声的大小与电路的结构、工作电压和温度有关。为了降低1/f噪声，可以采用对称的电路结构、降低工作电压和降低温度等方法。 除了上述三种主要噪声外，CMOS电路还可能受到其他噪声的影响，如电源噪声、电磁干扰等。这些噪声可能会对电路的性能产生负面影响，降低电路的工作稳定性和可靠性。 为了保证CMOS电路的性能，需要对噪声容限进行严格的控制。首先，需要在电路设计阶段考虑噪声容限的要求，并采取相应的措施降低噪声。其次，在制造过程中，需要控制材料的品质和工艺的稳定性，以减小噪声的来源。此外，还可以通过信号处理技术来降低噪声的影响，如滤波、抗噪声编码等。 CMOS噪声容限是评估其性能的重要指标之一。热噪声、亚阈值噪声和1/f噪声是CMOS电路中常见的噪声来源。为了降低噪声，可以采用降低电路温度、减小带宽、降低工作电压等方法。为了保证电路的性能，需要在设计和制造过程中严格控制噪声容限，并采取相应的措施降低噪声的影响。通过这些措施，可以提高CMOS电路的工作稳定性和可靠性。

图像传感器的原理和应用实验报告

图像传感器的原理和应用实验报告 1. 引言 在现代科技和信息时代，图像传感器作为一种重要的电子器件，被广泛用于数字相机、手机摄像头、监控系统等领域。本实验主要介绍图像传感器的工作原理以及其在实际应用中的表现和性能。 2. 图像传感器的工作原理 图像传感器是将光信号转化为电信号的装置，其工作原理可以简单概括为两个步骤：光电转换和电信号读取。 2.1 光电转换 图像传感器通常由一系列光敏元件组成，最常见的是光电二极管（Photodiode）。当光照射到光敏元件时，光敏元件会吸收光子并产生一定数量的载流子。这些载流子随后被电场力推动，进而产生电流。不同的光敏元件可根据光照的不同强度产生不同的电流。 2.2 电信号读取 产生的电流被读取电路捕获并转化为数字信号，以便进行后续的图像处理和存储。读取电路通常包括放大器、A/D转换器等。放大器主要负责放大由光敏元件产生的微弱电流信号，而A/D转换器则将模拟电流信号转换为数字信号。 3. 图像传感器的应用 图像传感器在现代社会中有着广泛的应用，以下是一些常见的应用领域： 3.1 数码相机 作为数码相机的核心组件，图像传感器能够将电子信号转化为图像。目前市场上的数码相机主要采用CMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）和CCD（Charge-Coupled Device）两种类型的图像传感器。它们在分辨率、色彩还原度、动态范围等方面有所不同，使用者可以根据自己的实际需求选择合适的相机。 3.2 手机摄像头 随着智能手机的普及，手机摄像头成为手机中最重要的功能之一。手机摄像头通常采用CMOS图像传感器，具备小尺寸、低功耗和高集成度的优势，并且常常配备多种功能，如自动对焦、光学防抖等。

cmos成像 技术指标 靶面尺寸

cmos成像技术指标靶面尺寸 1.引言 1.1 概述 概述部分的内容： 引言部分旨在对CMOS成像技术以及靶面尺寸问题进行概述。CMOS 成像技术是一种现代数字成像技术，它通过利用互补金属氧化物半导体（CMOS）技术制造出的图像传感器，在光信号的作用下将图像转化为电信号。相比于传统的CCD（电荷耦合器件）技术，CMOS成像技术具有功耗低、集成度高以及成本较低等优势，因此在各个领域的图像采集中得到了广泛应用。 本文首先介绍CMOS成像技术的基本概念、原理和构造，然后重点讨论了CMOS成像技术的两个关键指标，即像素尺寸和噪声特性。像素尺寸是衡量CMOS成像器件图像细节清晰度的重要参数，而噪声特性则直接影响到图像的质量。通过详细探讨这两个指标，我们可以更好地理解CMOS成像技术的性能和应用。 此外，我们还将深入研究靶面尺寸问题。靶面尺寸是指图像传感器所能够接收到的有效图像区域的大小。文章将从靶面尺寸的定义与意义出发，探讨靶面尺寸的影响因素以及对成像质量的影响。通过对靶面尺寸问题的研究，我们可以更好地理解CMOS成像技术在实际应用中的限制和优化方向。 通过本文的阅读，读者将会深入了解CMOS成像技术以及其关键指标，同时也能够理解靶面尺寸对成像质量的重要性。这将为进一步的研究和应

用提供有价值的参考和借鉴。接下来我们将详细介绍文章的结构和各个部分的内容。 1.2 文章结构 文章结构部分是指对整篇文章的组织和框架进行介绍，以便读者能够清晰地了解文章的结构和内容安排。以下是文章结构部分的内容：文章结构部分的主要目的是为读者提供一个清晰的框架，帮助读者更好地理解本文的内容和论点。本文将分为以下几个部分进行介绍。 第一部分是引言部分。在引言部分，我们将概述CMOS成像技术指标和靶面尺寸的重要性，并说明本文的目的和结构。 第二部分是正文部分。在正文部分，我们将详细介绍CMOS成像技术指标和靶面尺寸的相关内容。首先，我们将讨论像素尺寸的定义和意义，以及它对成像质量的影响。然后，我们将深入探讨噪声特性在CMOS成像中的作用和影响。接下来，我们将转向靶面尺寸的讨论，包括靶面尺寸的定义与意义，以及影响靶面尺寸的因素。 第三部分是结论部分。在结论部分，我们将强调CMOS成像技术指标的重要性，并总结讨论靶面尺寸对成像质量的影响。通过对本文内容的总结和回顾，读者能够更清晰地理解CMOS成像技术指标和靶面尺寸的关键作用。 通过以上的文章结构，我们将全面、系统地介绍和探讨CMOS成像技术指标和靶面尺寸的相关概念和影响因素。读者在阅读本文时，能够更好地理解和把握文章的内容和论点。 1.3 目的

无人机传感器技术 3.2.2 CMOS图像传感器的结构及原理

3.2.2 CMOS图像传感器的结构及原理 利用CMOS型光电变换器件可以制成CMOS图像传感器，但采用CMOS衬底直接受光信号照射产生并积蓄光生电荷的方式很少被采用，目前CMOS图像传感器上采用的是光敏元器件与CMOS型放大器分离式结构。CMOS线型图像传感器结构如图3-8所示。 图3-8 CMOS线型图像传感器结构 CMOS线型图像传感器由光电二极管和CMOS型放大器阵列以及扫描电路集成在一块芯片上制成。一个光电二极管和一个CMOS型放大器组成一个像素。光电二极管阵列在受到光照时，便产生相应于入射光量的电荷，扫描电路实际上是移位寄存器。CMOS型光电变换器件只有光生电荷产生和积蓄功能，而无电荷转移功能。为了从图像传感器输出图像的电信号，必须另外设置“选址”作用的扫描电路。扫描电路以时钟脉冲的时间间隔轮流给CMOS型放大器阵列的各个栅极加上电压，CMOS型放大器轮流进入放大状态，将光电二极管阵列产生的光生电荷放大输出，输出端就可以得到一串反映光电二极管受光照情况的模拟脉冲信号。 CMOS面型图像传感器则是由光电二极管和CMOS型放大器组成的二维像素矩阵，并分别设有X—Y水平与垂直选址扫描电路。水平与垂直选址扫描电路发出的扫描脉冲电压，由左到右，由上到下，分别使各个像素的CMOS型放大器处于放大状态，二维像索矩阵面上各个像索的光电二极管光生和积蓄的电荷依次放大输出。 CMOS图像传感器的缺点有：（1）在MOSFET的栅漏区之间的耦合电容会把扫描电路的时钟脉冲也耦合为漏入信号，造成图像的“脉冲噪声”；（2）MOSFET

的漏区与光电二极管相近，一旦信号光照射到漏区，就会产生光生电荷向各处扩散，形成漏电流，再生图像时会出现纵线状拖影。可以通过配置一套特别的信号处理电路消除这些干扰。

CMOS图像传感器工艺与性能优化

CMOS图像传感器工艺与性能优化 摘要： 本文将重点讨论CMOS（互补金属氧化物半导体）图像传感器的工艺优化和性能优化。首先，介绍了CMOS图像传感器的基本原理和结构。然后，详细描述了CMOS图像传感器的制造工艺，并探讨了常见的工艺优化方法。最后，讨论了CMOS图像传感器的性能评估指标和常见的性能优化策略。 1. 引言 CMOS图像传感器是现代数字相机和移动设备中最常用的图像捕捉技术。它具有低功耗、高集成度和成本效益等优势，因此被广泛应用于消费电子、医疗影像和工业视觉等领域。为了提高CMOS图像传感器的图像质量和性能，工艺优化和性能优化成为重要的研究方向。 2. CMOS图像传感器的基本原理和结构 CMOS图像传感器的基本原理是利用光的电子激发效应将光信号转换为电荷信号，进而转化为数字信号。它由图像阵列、存储电路和信号处理电路组成。图像阵列是由光敏元件（光感受器）组成的二维阵列，每个光敏元件对应着图像的一个像素。存储电路负责收集和储存每个像素的电荷值，而信号处理电路则负责将电荷信号转化为数字信号并进行后续的处理。 3. CMOS图像传感器的制造工艺 CMOS图像传感器的制造工艺包括前端工艺和后端工艺。前端工艺用于制造图像阵列和存储电路，而后端工艺则用于制造信号处理电路和封装。前端工艺包括晶体管的制造和图像传感器的微光栅的制作。常见的工艺优化方法包括布线优化、光罩设计和掺杂剂优化等。后端工艺包括金属线的制造和芯片封装。常见的工艺优化方法包括金属线的材料选择和封装材料的优化。

4. CMOS图像传感器的工艺优化方法 4.1 布线优化 布线优化是通过优化线宽、线距和层次来提高信号的传输效果。合理的布线规则和电磁兼容（EMC）设计可以减少噪音和串扰， 并提高信号的稳定性和可靠性。 4.2 光罩设计 光罩设计是创建图像传感器的微光栅和晶体管。通过优化光罩 的设计，可以提高图像传感器的分辨率和响应速度，降低噪音和 失真。 4.3 掺杂剂优化 掺杂剂优化是调控晶体管的电导性能和响应特性。通过优化掺 杂剂的浓度和位置，可以提高图像传感器的灵敏度和动态范围。5. CMOS图像传感器的性能评估指标 5.1 分辨率 分辨率是衡量图像传感器细节捕捉能力的重要指标。通常由像 素数目表示，较高的分辨率意味着图像具有更多的细节和更高的 图像质量。 5.2 响应速度 响应速度是衡量图像传感器捕捉图像的速度的指标。较高的响 应速度意味着图像传感器可以在更短的时间内捕捉到图像，并减 少运动模糊。 5.3 动态范围

智能手机中的图像处理技术研究

智能手机中的图像处理技术研究 智能手机现在已经成为了我们日常生活的必需品。我们使用手机拍照、录像、 进行视频通话、打游戏，等等。作为一款移动设备，智能手机的图像处理技术必须要达到足够的水平，以便能够在有限的计算资源和存储空间下完成各种复杂的任务。 本文将就智能手机中的图像处理技术进行研究。 一、图像采集 图像采集是一幅图像的起点，对采集设备的要求也非常高。智能手机中现在常 用的采集设备是CMOS图像传感器。CMOS传感器具有像素数量高、镜头需求低 等优点，更适合于手机等小型设备中使用。 但是，CMOS传感器本身的像素数量高，是有限的。因此，为了获得更高的像 素数量，一些厂商会在图片输出时进行软件插值处理，达到虚拟提高像素数量的效果。 二、噪声处理 噪声处理在图像处理领域中是个不可忽视的环节。在图像采集过程中，由于CMOS传感器的特性，会带来各种噪声干扰，例如白噪声、黑噪声、条纹噪声等。在智能手机中，处理噪声的方法主要有： 1.使用硬件降噪：这是一种直接降低噪声的方法。例如，一些手机会在采集图 片时使用OIS、EIS等技术来降低摄像机晃动，防止图像模糊。 2.软件降噪：这是针对图片经过信号处理后，出现各种噪声的一种处理方法。 软件降噪需要采用一定的算法进行处理。常用的噪声处理方法有：均值滤波、中值滤波、小波变换等。 三、对比度增强

图像的对比度影响整个图片的色彩感和视觉感受。在一些情况下，图像的对比度可能低于我们的统计值，造成图像细节不清晰，颜色色彩鲜艳。因此，一些良好的对比度增强算法会给人留下很好的视觉和感受。 对比度增强也可以通过软件和硬件配合进行。例如在一张图片中，黑色和白色的像素点显示效果不佳，可以通过某些算法来进行色彩分离和重构，使得黑白两种颜色更明显、清晰。 四、拍摄HDR图片 在光线不够好的情况下，拍摄HDR照片可以很好地解决背景过亮或过暗的问题。HDR图像可以从不同的曝光级别下进行合并，对高亮部分和暗部分进行多次曝光，从而达到均衡的效果。 拍摄HDR图片通常需要在一定的时间内连续拍摄多张照片，并依据底层算法将图片合成一张更加清晰的照片。HDR只是一种特定的图像处理算法，可以用于拍摄普通照片、风景照片等各种照片。 五、人脸识别 人脸识别技术伴随着智能手机的发展而来，其应用范围在各个领域都得到了广泛的应用。基于人脸识别的处理，可以进行更加人性化、智能化的交互体验。 在智能手机中，人脸识别可以用于准确地区分成年人和儿童，避免不允许儿童进入的网页或应用。此外，人脸识别也可以用于自拍，通过光学模块调整焦距、白平衡、曝光等参数，并自动完成简单修图，创造最终的自拍画面。 六、结论 本文从图像采集、噪声处理、对比度增强、拍摄HDR照片以及人脸识别等方面论述了智能手机图像处理技术的现状和发展。这些技术的深入处理，为更好的用户体验和更高端的应用带来了更多可能性。同时，在日常使用中逐渐形成的手机减

CMOS图像传感器简介

CMOS图像传感器简介 ——机制班张波摘要：本文介绍了CMOS图像传感器的工作原理和性能指标，指出了CMOS图像传感器的技术问题和解决途径，综述了CMOS图像传感器的现状和发展趋势。 1．引言 CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体）图像传感器是利用CMOS工艺制造的图像传感器，主要利用了半导体的光电效应，和电荷耦合器件（CCD）图像传感器的原理相同。 自从上世纪60年代末期，CMOS图像传感器与CCD图像传感器的研究几乎同时起步，但由于受当时工艺水平的限制，CMOS图像传感器图像质量差、分辨率低、噪声降不下来和光照灵敏度不够[1]，因而没有得到重视和发展。而CCD器件因为有光照灵敏度高、噪音低、像素少等优点一直主宰着图像传感器市场[2]。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。 2．基本原理 CMOS型和CCD型固态图像传感器在光检测方面都利用了硅的光电效应原理，不同点在于像素光生电荷的读出方式。CMOS图像传感器工作原理如图1所示[3]。根据像素的不同结构，CMOS图像传感器可以分为无源像素被动式传感器（PPS）和有源像素主动式传感器（APS）。根据光生电荷的不同产生方式APS 又分为光敏二极管型、光栅型和对数响应型，现在又提出了DPS(digital pixel sensor)概念。 图1 CMOS图像传感器工作原理

（1）无源像素被动式传感器（PPS） PPS的像素结构包含一个光电二极管和一个场效应管开关V，其像素结构如图2所示，图3为信号时序图。当V选通时，光电二极管中由于光照产生的电荷传送到了列选择线，然后列选择线下端的积分放大器将该信号转化为电压输出，光电二极管中产生的电荷与光信号成一定的比例关系。无源像素具有单元结构简单、寻址简单、填充系数高、量子效率高等优点，但它灵敏度低、读出噪声大。因此PPS不利于向大型阵列发展，所以限制了应用，很快被APS代替。 图2 PPS像素结构图3 图像信号时序 （2）有源像素主动式传感器（APS） APS像素结构的基本电路如图4所示。从图上可以看出，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线上，当复位脉冲出现时，V1导通，光电二极管被瞬时复位；而当复位脉冲消失后，V1截止，光电二极管开始积分光信号。图5为上述过程的时序图，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。 图4 APS像素结构图5 图像信号时序 （3）数字像素图像传感器（DPS） 上面提到的无源像素传感器和器和有源像素传感器的像素读出均为模拟信号，于是它们又通称为模拟像素传感器。近年来，美国斯坦福大学提出了一种新的CMOS图像传感器结构一数字像素传感器（DPS），在像素单元里集成了ADC （Analog-to-Digital Convertor）和存储单元[4]。由于这种结构的像素单元读出为

国家开放大学-传感器与测试技术——实验 4：基于 CMOS 图像传感器的图像测量

传感器与测试技术实验4基于CMOS图像传感器的图像测量 一、实验系统及方案 为了方便完成在设计阶段的单模块调试，实现遥感系统地面原理与性能测试，本文采用PC机模拟星上数据处理系统，利用CAN卡将CMOS相机与PC机相连，建立了一套CMOS遥感系统地面测试系统。 本文采用德国VtschIndustrietechnikVT7034型恒温实验箱，在60～-5℃温度区间内，每下降5℃采集一组暗图像。热循环实验之所以按照从高温到低温的顺序进行，是因为实验所用恒温箱不能抽真空。如果反过来进行实验，尽管不断向恒温箱内充氮气，箱内微量空气中的水气仍可能凝结在相机上，影响实验结果。 二、特征参数的提取 1）平均暗输出 平均暗输出是在没有光照的条件下图像传感器输出的平均灰度值，可由下式进行计算： 其中：Ii，j是图像传感器在无光照条件下输出的暗图像灰度值矩阵，M、N 是图像传感器像素阵列的行数和列数。 2）暗不一致性 理想情况下，在无光照的时候图像传感器的输出也应该是均匀的。但是图像传感器的像素间总是存在差异的，因此暗输出总有波动。波动的大小表明图像传感器像素性能的稳定性，计算方法是求出暗图像各像素输出灰度值的标准差 其中各符号的含义与暗噪声计算式（5）相同。 三、实验结果及分析

按照2.1所述的方案进行实验，得到了CMOS相机在60～-5℃温度区间内平均暗输出以及暗不一致性随温度的变化曲线，分别如图5、图6所示。 图5 平均暗输出随温度的变化曲线 图6 暗不一致性随温度的变化曲线 从图中可以看出，平均暗输出随着温度的升高大致呈上升趋势。当温度小于10℃时，平均暗输出上升速度较快;10～15℃上升趋缓;从15℃开始略有下降，到30℃时达到低谷，10～30℃之间，总的来说平均暗输出值变化比较平稳;30℃以上，平均暗输出值又以较快的速度上升。本文选用的CMOS图像传感器为256级灰度输出，实验中平均暗输出的变化范围为7.7567～10.1092。 平均暗输出之所以随着温度的升高大致呈上升趋势，是因为温度升高，CMOS 图像传感器及其外围电子器件的热噪声都会升高;而平均暗输出在10～30℃之间变化比较平稳，甚至在15～30℃之间略有下降，是因为CMOS图像传感器在设计上的特殊考虑保证了其在常温下具有最优的工作性能;这同时也说明了这套遥感系统的电噪声主要来源于CMOS图像传感器。 暗不一致性随温度的变化不大，实验中其变化范围为0.6148～0.8542，比平均暗输出低一个数量级，可以忽略。 实验中还测试了CMOS相机的耐低温性能。关机后将相机降温至-25℃，达到温度平衡后再升温至0℃，开机采集图像，分析其性能变化。实验测得经受低温后，CMOS相机在0℃下的平均暗输出为7.2323，比先前略有降低;暗不一致性为