1、导言
20世纪70年代，CCD图画传感器和CMOS图画传感器一起起步。CCD图画传感器由于灵敏度高、噪声低，逐步成为图画传感器的干流。但由于工艺上的原因，灵敏元件和信号处理电路不能集成在同一芯片上，构成由CCD图画传感器拼装的摄像机体积大、功耗大。CMOS图画传感器以其体积小、功耗低在图画传感器市场上别出心裁。但开始市场上的CMOS图画传感器，一向没有脱节光照灵敏度低和图画分辨率低的缺陷，图画质量还无法与CCD图画传感器比较。
如果把CMOS图画传感器的光照灵敏度再进步5倍～10倍，把噪声进一步下降，CMOS图画传感器的图画质量就可以到达或稍微超越CCD图画传感器的水平，一起能坚持体积小、分量轻、功耗低、集成度高、价位低一级长处，如此，CMOS图画传感器替代CCD图画传感器就会成为事实。
由于CMOS图画传感器的运用，新一代图画体系的开发研发得到了极大的开展，并且跟着经济规划的构成，其生产成本也得到下降。现在，CMOS图画传感器的画面质量也能与CCD图画传感器相媲美，这首要归功于图画传感器芯片规划的改善，以及亚微米和深亚微米级规划添加了像素内部的新功用。
实践上，更切当地说，CMOS图画传感器应当是一个图画体系。一个典型的CMOS图画传感器一般包含：一个图画传感器中心（是将离散信号电平多路传输到一个单一的输出，这与CCD图画传感器很类似），一切的时序逻辑、单一时钟及芯片内的可编程功用，比方增益调理、积分时刻、窗口和模数转化器。事实上，当一位规划者购买了CMOS图画传感器后，他得到的是一个包含图画阵列逻辑寄存器、存储器、守时脉冲发生器和转化器在内的悉数体系。与传统的CCD 图画体系比较，把整个图画体系集成在一块芯片上不只下降了功耗，并且具有分量较轻，占用空间削减以及整体价格更低的长处。
图1 前期的CCD图画传感器
2、根本原理
从某一方面来说，CMOS图画传感器在每个像素方位内都有一个放大器，这就使其能在很低的带宽情况下把离散的电荷信号包转化成电压输出，并且也仅需求在帧速率下进行重置。CMOS图画传感器的长处之一便是它具有低的带宽，并添加了信噪比。由于制作工艺的约束，新近的CMOS图画传感器无法将放大器放在像素方位以内。这种被称为PPS的技能，噪声功用很不抱负，并且还引来对CMOS图画传感器的种种搅扰。
可是今日，跟着制作工艺的进步，使在像素内部添加杂乱功用的主意成为或许。现在，在像素方位以内现已能添加比如电子开关、互阻抗放大器和用来下降固定图形噪声的相关双采样坚持电路以及消除噪声等多种附加功用。实践上，在Conexant公司（前Rockwell半导体公司）的一台先进的CMOS 摄像机所用的CMOS图传感器上，每一个像素中都规划并运用了6个晶体管，测验到的读出噪声只要1均方根电子。不过，跟着像素内电路数量的不断添加，留给感光二极管的空间逐步削减，为了避免这个份额（又称占空因数或填充系数）的下降，一般都运用微透镜，这是由于每个像素方位上的细微透镜都能改动入射光线的方向，使得本来会落到连接点或晶体管上的光线重回到对光灵敏的二极管区域。
由于电荷被约束在像素以内，所以CMOS图画传感器的另一个固有的长处便是它的防光晕特性。在像素方位内发生的电压先是被切换到一个纵列的缓冲区内，然后再被传输到输出放大器中，因而不会发生传输过程中的电荷损耗以及随后发生的光晕现象。它的晦气因素是每个像素中放大器的阈值电压都有细微的不同，这种不均匀性就会引起固定图画噪声。可是，跟着CMOS图画传感器的结构规划和制作工艺的不断改善，这种效应现已得到明显弱化。
这种多功用的集成化，使得许多曾经无法运用图画技能的当地现在也变得可行了，如孩子的玩具，愈加涣散的保安摄像机、嵌入在显示器和膝上型核算机显示器中的摄像机、带相机的移动电路、指纹识别体系、甚至于医学图画上所运用的一次性照相机等，这些都已在某些规划者的考虑之中。
3规划考虑
可是，这个职业还有一个遭到遍及重视的问题，那便是丈量办法，详细目标、阵列巨细和特性等方面还缺少一致的规范。每一位工程师在比较各种材料一览表时，或许会发现在一张表上列出的是关于读出噪声或信噪比的材料，而在另一张表上或许仅仅着重关于动态规模或最大势阱容量的材料。因而，这就要求规划者们可以判别哪一个参数对他们最重要，并且尽或许充分利用多产品的CMOS图画传感器宗族。
一些要害的功用参数是任何一种图画传感器都需求重视的，包含信噪比、动态规模、噪声（固定图形噪声和读出噪声）、光学尺度以及电压的要求。应当知道并用来比照的重要参数有：最大势阱容量、各种作业状态下的读出噪声、量子功率以及暗电流，至于信噪比之类的其它参数都是由那些根本丈量推导出来的。
关于像保安摄像机一类的低照度级的运用，读出噪声和量子效应最重要。可是关于象野外拍摄一类的中、高照度级的运用，比较大的最大势阱容量就显得更为重要。
动态规模和信噪比是最简单被误解和误用的参数。动态规模是最大势阱容量与最低读出噪声的比值，它之所以引起误解，是由于读出噪声常常不是在典型的运转速度下测得的，并且暗电流散粒噪声也常常没有被核算在内。信噪比首要决定于入射光的亮度级（事实上，在亮度很低的情况下，噪声或许比信号还要大）。
所以，信噪比应该将一切的噪声源都考虑在内，有些材料一览表中常常疏忽散粒噪声，而它恰恰是中、高信号电平的首要噪声来历。而SNRDARK得到阐明，实践上与动态规模没有什么两样。数字信噪比或数字动态规模是另一个简单引起混杂的概念，它标明的仅仅模仿/数字（A/D）转化器的一个特性。虽然这或许很重要，但它并不能精确地描绘图画的质量。一起咱们也应清楚地认识到，当图画传感器具有多个可调模仿增益设置时，模仿/数字转化器的分辨率不会对图画传感器的动态规模发生约束。
光学尺度的概念的含糊，是由于传统观念而致。运用光导摄像管只能在部分规模内发生有用的图画。它的核算包含衡量单位的转化和向上舍入的办法。选用向上舍入的办法，先以毫米为单位丈量图画传感器的对角线除以16，就能得到以英寸为单位的光学尺度。例如0.97cm的尺度是1.27cm而不是 0.85cm。假设你挑选了一个光学尺度为0.85cm的图画传感器，很或许呈现图画的四周旮旯上的映影（暗影）现象。这是由于有些材料一览表诈骗性地运用了向下舍入的办法。例如，将0.97cm的尺度称为0.85cm，理由很简单：0.85cm光学尺度的图画传感器的价格要比1.27cm光学尺度的图画传感器的价格低得多，可是这对体系作业功用发生晦气影响。所以，规划者应该经过核算试用各种不同的图画传感器来得到想要的功用。
CMOS图画传感器的一个很大的长处便是它只要求一个单电压来驱动整个设备。不过规划者仍应慎重地安置电路板驱动芯片。依据实践要求，数字电压和模仿电压之间尽或许地分脱离以避免串扰。因而杰出的电路板规划，接地和屏蔽就显得非常重要。虽然这种图画传感器是一个CMOS设备并具有规范的输入/输出（I/O）电压，但它实践的输入信号适当小，并且对噪声也很灵敏。
到目前为止，已规划出高集成度单芯片CMOS图画传感器。规划者力求使有关图画的运用更简单完成多功用，包含主动增益操控（AGC）、主动曝光操控（AEC）、主动平衡（AMB）、伽玛样正、布景补偿和主动黑电平校对。一切的五颜六色矩阵处理功用都集成在芯片中。CMOS图画传感器答应片上的寄存器经过I2C总线对摄像机编程，具有动态规模宽、抗浮散且几乎没有拖影的长处。
