奧林巴斯顯微鏡：CMOS圖像傳感器是什么？

已經(jīng)預(yù)示著一個新時代的到來，高分辨率固態(tài)成像設(shè)備，主要是電荷耦合器件（CCDs），互補金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）圖像傳感器，光學(xué)顯微鏡，威脅到eclipse傳統(tǒng)的圖像記錄技術(shù)，如電影視頻管和光電倍增管。電荷耦合器件攝像機專為奧林巴斯顯微鏡應(yīng)用系統(tǒng)所提供的眾多原始設(shè)備和售后市場的制造商，CMOS成像傳感器正在成為幾顯微鏡。

這兩種技術(shù)是20世紀70年代早期和晚期之間，但是CMOS傳感器不可接受的性能，被普遍忽視或認為只是一種好奇心，直到20世紀90年代初。到那個時候，CMOS設(shè)計的進步產(chǎn)生更小的像素尺寸，降低了噪音，更**的圖像處理算法，更大的成像陣列芯片。享有的CMOS傳感器的主要優(yōu)點是：低功耗，主時鐘，和單電壓電源，CCD的不同，往往需要5個或5個以上的電源電壓在不同的時鐘速率與顯著更高的功耗。兩個CMOS和CCD芯片通過類似的機制，通過利用時，會發(fā)生光子與晶化的硅，以促進從價帶電子到導(dǎo)帶的光電效應(yīng)，光感。請注意的是，術(shù)語“CMOS”指的是圖像傳感器的制造過程，其中，而不是一個特定的成像技術(shù)。

在很寬的波長頻帶的可見光入射特殊摻雜的硅半導(dǎo)體材料，可變數(shù)目的電子被釋放比例入射的表面上的光電二極管的光子通量密度。實際上，產(chǎn)生的電子數(shù)照射半導(dǎo)體的光的波長和強度的函數(shù)。的電子被收集在一個潛在的直到周期結(jié)束的集成（照明），然后被轉(zhuǎn)換成電壓（CMOS處理器），或轉(zhuǎn)移到一個計量寄存器（CCD傳感器）。測得的電壓或電荷（電壓轉(zhuǎn)換后），然后通過一個模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器，其中形成由傳感器成像的場景的數(shù)字電子表示。

數(shù)字圖像傳感器的光電二極管，通常稱為作為一個像素，是關(guān)鍵因素。靈敏度是由相結(jié)合的，可以由光電二極管累積的*大充電，耦合入射的光子到電子的轉(zhuǎn)換效率和設(shè)備的能力，在狹窄的區(qū)域中積累的電荷不泄漏或溢出。這些因素通常是確定的物理尺寸和孔徑的光電二極管，它的空間和電子到相鄰的數(shù)組中的元素之間的關(guān)系。另一個重要因素是電荷-電壓轉(zhuǎn)換率，它決定如何有效地集成電子電荷被轉(zhuǎn)換成電壓信號，可以測量和處理。光電二極管通常組織在正交網(wǎng)格，可以為128×128像素（16萬像素）的尺寸范圍從一種較為常見的1280×1024（*過一百萬像素）。一些*新的CMOS圖像傳感器，比如那些專為高清晰度電視（HDTV），包含數(shù)百萬像素，組織成非常大的*過2000萬像素的陣列。從構(gòu)成各行的所有的像素陣列的每一列的信號，必須精確地檢測和測量（讀出），以組裝來自光電二極管的電荷累積數(shù)據(jù)的圖像。

在光學(xué)顯微鏡中，由物鏡聚集的光被聚焦到傳感器表面上的投影透鏡包含一個兩維數(shù)組的相同的光電二極管，稱為圖片元素或像素。因此，陣列的大小和像素尺寸確定傳感器的空間分辨率。CMOS和CCD集成電路的固有的單色（黑白）的設(shè)備，只響應(yīng)在光電二極管中積累的電子的總數(shù)，不釋放，從硅襯底的光產(chǎn)生的顏色。無論是通過一系列連續(xù)的紅色，綠色和藍色過濾器的入射光通過，或與微型透明聚合物薄膜過濾器，可分別存放在像素陣列中的馬賽克圖案檢測到彩色。

CMOS光電二極管的解剖

CMOS圖像傳感器CCD同行享受*過一項重大優(yōu)勢，就是整合能力了一些處理和控制功能，光子收集的首要任務(wù)在于*越，直接將傳感器集成電路。這些功能一般包括時序邏輯，曝光控制，模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換，快門，白平衡，增益調(diào)整，和初始圖像處理的算法。為了執(zhí)行這些功能，CMOS集成電路結(jié)構(gòu)更類似于一個隨機存取存儲器單元，而不是一個簡單的光電二極管陣列。*流行 的CMOS設(shè)計圍繞有源像素傳感器（APS），而在該被納入每個像素的光電二極管和讀出放大器的技術(shù)。這使由光電二極管累積的電荷內(nèi)的像素的放大后的電壓被轉(zhuǎn)換成在連續(xù)的行和列中，然后轉(zhuǎn)移到該芯片的模擬信號處理部。

因此，每個像素（或成像元件）包含除了光電二極管，一個三元組，積累的電子的電荷轉(zhuǎn)換成一個可測量的電壓的晶體管，光電二極管復(fù)位，并將其傳送到垂直的列總線的電壓。結(jié)果數(shù)組包含一個光電二極管和相關(guān)的信號準(zhǔn)備電路在每個路口的金屬讀數(shù)總線是一個有組織的棋盤。適用的總線的定時信號的光電二極管，并返回讀出的信息返回到模擬解碼和處理電路容納相差的光電二極管陣列。這種設(shè)計使從陣列中的每個像素的信號讀取簡單的x，y尋址技術(shù)與目前的CCD技術(shù)，這是不可能的。

用于集成電路的電路小片包含一個主動的640×480像素的圖像區(qū)域，在圖1中的體系結(jié)構(gòu)的一個典型的CMOS圖像傳感器。的光電二極管陣列，位于在大芯片中心區(qū)的紅褐色的紅，綠，和藍染色的聚合物過濾器，每個的大小，以適應(yīng)在一個單獨的光電二極管（在類似的方式由一個有序的薄層覆蓋該技術(shù)利用彩色CCD）。過濾后的光電二極管，以集中到光電二極管的電子收集井的入射的光子，也被安置一個微型的正彎月形透鏡（請參閱圖2，圖3，和4）的微透鏡或透鏡陣列被稱為下方。圖1中的插圖顯示的過濾器和微透鏡陣列的高倍率視圖。此外，在圖1中示出的集成電路，收集和解釋的光電二極管陣列所產(chǎn)生的信號的模擬信號處理電路。然后，這些信號被發(fā)送到模擬 - 數(shù)字轉(zhuǎn)換電路，相鄰芯片的上部（如在圖1中示出）上的光電二極管陣列。在其他的CMOS圖像傳感器進行的職責(zé)是逐步電荷產(chǎn)生的時鐘定時，電壓采集，傳輸，和測量工作，以及圖像處理和輸出所積累的信號。

光電二極管陣列仔細看看揭示了連續(xù)圖案的紅色，綠色和藍色的過濾器被安排在一個馬賽克圖案而得名柯達工程師布萊斯E.拜耳。此濾色器陣列（拜耳圖案）過濾器是用來捕捉從廣泛的帶寬從到達的光學(xué)透鏡系統(tǒng)的入射照明顏色信息。該過濾器被布置在連續(xù)的行中排列的一組四（圖2（a）和圖2（b））中，備用是紅色，綠色或藍色和綠色濾光器（圖2（a））。圖2給出了一個典型的拜耳濾光器陣列和相關(guān)的光電二極管的一個高分辨率的光學(xué)顯微鏡拍攝的數(shù)字圖像。圖2（a）示出了交替的過濾行。每個紅色過濾器四周由四個綠色和藍色的過濾器，而每一個藍色的過濾器所包圍四紅，四綠濾波器。與此相反，各綠色濾色器被包圍了四個綠色，紅色，和兩個藍色濾光片的。在圖2（b）中提出的基本重復(fù)單元的高放大倍率的圖像，并包含一個紅色，一個藍色，綠色濾光器和兩個，使得總數(shù)的綠色濾光器陣列中的紅色和藍色過濾器的數(shù)目等于相結(jié)合。重強調(diào)后，綠色濾光器，是由于人的視覺響應(yīng)，達到*大的靈敏度的可見光譜在550納米（綠）的波長區(qū)域。

也示于圖2（b）是在微透鏡陣列（也稱為小透鏡）的一小部分，通過光刻法沉積拜耳過濾器的表面上，并對齊，使每個鏡頭覆蓋一個單獨的過濾器。微型透鏡元件的形狀接近的凸彎月形透鏡，用于直接入射的光聚焦到感光面積的光電二極管。下方的拜耳過濾器和微透鏡陣列的光電二極管本身，這是在圖2（c）所示，四個完整的光電二極管組件或像素單元。圖2中的光電二極管（c）在確定一個大的白色框（上右上角），還包含了較大的電網(wǎng)內(nèi)的小矩形框。用字母P和T分別是指光子收集（感光性）和支持的像素的晶體管區(qū)，白框確定。

由于是顯而易見的，從研究的光電二極管元件，圖2（c）所示，大部分的像素區(qū)域（在本例中約70％）是專門為支持晶體管（放大器，復(fù)位和行選擇），這是相對不透明的可見光光子和不能被利用為光子檢測。其余30％（白色的小框中，然后在圖2（c）中標(biāo)記為P）代表的像素的感光部分。因為這樣的光電二極管的一小部分實際上是能夠吸收光子產(chǎn)生電荷，如圖1，圖2所示的CMOS芯片和光電二極管的填充因子或光圈，以及圖3表示只有30％的總的光電二極管陣列的表面積。其后果是一個顯著的損失，在靈敏度和信號-噪聲比相應(yīng)地減少，從而導(dǎo)致有限的動態(tài)范圍。填充因子比從設(shè)備到設(shè)備而異，但在一般情況下，它們的范圍為30?80％，在CMOS傳感器中的像素區(qū)域。

復(fù)合填充因子降低的問題，是依賴于波長的光子吸收性質(zhì)，適當(dāng)?shù)睾喎Q為CMOS和CCD圖像傳感器的量子效率的一個術(shù)語。三種主要機制的運作，阻礙光子收集的感光面積：吸收，反射和傳輸。如上所述，光電二極管的面積的70％以上可被屏蔽由晶體管和堆疊或交錯的金屬總線線，這是不透光的，吸收或反射的入射的光子碰撞的結(jié)構(gòu)的多數(shù)。在這些層疊的金屬層也可導(dǎo)致漸暈，像素的串?dāng)_，光的散射和衍射等的不良影響。

入射的光子的反射和透射波長的函數(shù)，發(fā)生高比例的被反射的波長較短（低于400納米），雖然這些損失可以（在某些情況下）延續(xù)至可見光譜區(qū)域。許多CMOS傳感器有一個黃色的聚酰亞胺涂層應(yīng)用在制造過程中，吸收了顯著的前部的藍色光譜這些光子到達光電二極管區(qū)域。減少或盡量減少使用的多晶硅，聚酰亞胺或聚酰胺層，在優(yōu)化這些圖像傳感器的量子效率是一個主要問題。

在第幾微米的感光區(qū)域吸收波長較短，但更長的波長逐步向下鉆取到更深處被完全吸收之前。此外，*長的可見光的波長（650納米以上）通常通過在感光區(qū)域沒有被捕獲（或產(chǎn)生一個電子的電荷），導(dǎo)致光子損耗的另一個來源。雖然微透鏡陣列的應(yīng)用有助于集中和引導(dǎo)入射的光子到感光區(qū)域，可以增加一倍的光電二極管的靈敏度，這些微小的元素也展示出一種基于波長和入射角的選擇性。

在圖3顯示的是一個典型的CMOS的有源傳感器像素表示的感光面積（光電二極管），總線，微透鏡，拜耳過濾器，和三個支撐晶體管的一個立體剖視圖。如上所述，每個APS元件的CMOS圖像傳感器中，還包含一個放大器晶體管，它表示一般稱為一個源極跟隨器（源極跟隨器外部的象素和共同所有的像素在一個負載的輸入設(shè)備的列）。源極跟隨器是一個簡單的放大器，轉(zhuǎn)換到列總線輸出的電壓是由光電二極管產(chǎn)生的電子（電荷）。此外，所述像素還具有復(fù)位晶體管的控制集成或光子的累積時間，和行選擇晶體管連接的像素輸出到列總線的讀出。在特定列中的所有的像素都連接到讀出放大器。

在操作中，圖像捕獲的*步是初始化復(fù)位晶體管的漏電荷從感光區(qū)域和反向偏置的光電二極管。接著，積分周期開始，互動的像素的光電二極管區(qū)域的光產(chǎn)生的電子，它們被存儲在硅趴在表面之下的勢阱（參見圖3）。當(dāng)積分周期結(jié)束后，行選擇晶體管被接通，在選擇的像素到其負載，以形成源極跟隨器放大晶體管連接。因此，在光電二極管中的電子的電荷轉(zhuǎn)換成電壓，通過源極跟隨器操作。由此產(chǎn)生的電壓出現(xiàn)在列總線，并可以檢測到讀出放大器。然后，這樣的循環(huán)反復(fù)進行讀出，以便產(chǎn)生一個圖像傳感器中的每一行。

三個像素的APS設(shè)計的主要缺點之一是比較高的水平，固定模式噪聲（FPN）被稱為神器。晶體管放大器的增益和偏移量，這是一個根本性的問題，CMOS技術(shù)在制造過程中的工藝波動的變化，生產(chǎn)晶體管的輸出性能在整個陣列中的不匹配。其結(jié)果是在所拍攝圖像中明顯的噪聲圖案，是恒定的和可重復(fù)的從一個圖像到另一個。固定模式噪聲在大多數(shù)情況下，可以顯著減少或消除通過位于陣列周邊或通過電子減去較暗的圖像平場校正的模擬信號處理電路的設(shè)計調(diào)諧。

馬賽克過濾器陣列和圖像重建

兩倍的不均衡性，拜耳過濾馬賽克陣列，許多藍色或紅色，綠色過濾器，也會出現(xiàn)個別像素精確的色彩再現(xiàn)方面出現(xiàn)問題。拜耳過濾器的構(gòu)造中使用的常見染料的典型的傳輸光譜，如圖4所示。紅色過濾器的量子效率是顯著大于綠色和藍色的過濾器，它們靠近彼此整體效率。注意過濾器之間的光譜重疊度比較大，尤其是在520至620納米（綠色，黃色和橙色）區(qū)域。

一個問題經(jīng)常出現(xiàn)的色彩再現(xiàn)和空間分辨率拜耳過濾器模式的基本要素分為像素的光電二極管陣列的確切性質(zhì)。像素尺寸為640×480像素的光電二極管陣列包含總數(shù)為307,200像素，從而產(chǎn)生76,800拜耳四重奏。這是否意味著，實際有用的圖像空間分辨率降低到320×240像素？幸運的是，空間分辨率主要取決于彩色圖像的亮度分量和色度（顏色）成分。這是因為人類的大腦使粗糙的顏色信息被添加到精細的空間信息，并集成了兩個幾乎無縫。此外，拜耳濾波器有寬的波長的傳輸頻帶（參見圖4），具有大的重疊區(qū)域，它允許從其他光譜區(qū)域的空間信息，通過使每種顏色的過濾器具有相當(dāng)程度的空間信息。

例如，考慮一個對象，該對象反映到透鏡系統(tǒng)的一個顯著量的黃色光（在585納米為中心）的CMOS數(shù)字相機。通過檢查拜耳濾波器的透射光譜在圖4中，很明顯，在該波長區(qū)域的紅色和綠色的過濾器相同的光量傳輸。此外，藍色的過濾器也發(fā)送其他的過濾器通過的波長的20％左右。因此，三四個拜耳過濾器在每個四重奏通過等量的黃燈，而第四個（藍色）過濾器還可以發(fā)送一些光。與此相反，較低的波長的藍光（435納米;參見圖4）通過僅通過藍色濾光片的任何顯著的程度，降低的敏感性和為主要成分的光的可見光譜在這個區(qū)域的圖像的空間分辨率。

從CMOS光電二極管陣列由Bayer模式的濾色器覆蓋已獲得原始圖像后，必須將其轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的紅，綠，藍色（RGB）的格式，通過插值方法。這個重要的步驟是必要的，以便產(chǎn)生準(zhǔn)確地表示由電子傳感器成像的場景的圖像。各種*和完善的圖像處理算法可用來執(zhí)行這個任務(wù)（直接拍攝圖像后對集成電路），包括*近的鄰居，線性，三次，三次樣條技術(shù)。為了確定正確的顏色陣列中的每個像素中，算法選擇的相鄰像素的平均顏色值，并產(chǎn)生陣列中的每個像素的顏色（色度）和強度（亮度）的估計值。在圖5（a）是通過內(nèi)插前的圖像重建原始的Bayer模式，在圖5（b）所示，與相 關(guān)的調(diào)整后的版本的線性插值算法的處理后得到的結(jié)果。

顏色插值函數(shù)作為一個例子，考慮一個嵌套在拜耳（Bayer）濾光器陣列的中央?yún)^(qū)域的綠色像素。像素周圍是由兩個藍色，紅色，和四個綠色像素，這是其直接的近鄰。插值算法產(chǎn)生的估計值的綠色像素的紅色和藍色的值，通過檢查相鄰的紅色和藍色的像素的色度 值和亮度值。重復(fù)同樣的程序是在陣列中的每個像素。該技術(shù)生產(chǎn)出優(yōu)異的成績，圖像顏色的變化，慢慢地在一個大的像素數(shù)，但也受到來自文物，如鋸齒邊緣和邊界地區(qū)發(fā)生大型彩色和/或強度轉(zhuǎn)換。

為了提高量子效率和光譜響應(yīng)，一些CMOS設(shè)計者正在轉(zhuǎn)向使用彩色濾光器陣列的基礎(chǔ)上的主減色：青色，黃色和品紅色（CMY），而不是標(biāo)準(zhǔn)的加色原色紅，綠，和藍色（RGB）進行了討論。在使用CMY濾波器陣列的優(yōu)點是敏感性增加，從而提高光傳輸通過過濾器，更強的信號。這是因為減色濾光染料顯示一個相應(yīng)的添加劑過濾器時相比，降低在可見光區(qū)吸收光波。與此相反，以紅色，綠色，和藍色的過濾器，它們中的兩個或兩個以上的層的復(fù)合材料生產(chǎn)的添加劑吸收，CMY過濾器被應(yīng)用在一個單獨的層，其具有優(yōu)異的光傳輸特性。CMY過濾器的缺點是一個更復(fù)雜的色彩校正矩陣，需要轉(zhuǎn)換成CMY是必要的，以打印或顯示在計算機顯示器上的圖像的RGB值從傳感器收集到的數(shù)據(jù)。這些算法的結(jié)果，在生產(chǎn)過程中的額外的噪聲顏色轉(zhuǎn)換，但與CMY濾波器陣列獲得增強的靈敏度常?？梢缘窒趫D像處理過程中所遇到的問題。

噪聲的來源和補救措施

CMOS圖像傳感器的一個主要問題是高程度的噪音，檢查這些設(shè)備所產(chǎn)生的圖像時變得顯而易見。小心旁邊的圖像陣列，這大大挫傷了許多噪聲源和CMOS性能顯著改善的信號處理電路集成在傳感器技術(shù)的進步已啟用。然而，其他類型的噪聲常常困擾著設(shè)計者和*終用戶。如上所述，固定模式噪聲實際上消除了由現(xiàn)代CMOS收購后的信號處理技術(shù)，但其他形式，如光子散粒噪聲，暗電流，復(fù)位噪聲和熱噪聲，不那么容易處理。

在初始化過程中或復(fù)位光電二極管，復(fù)位晶體管被稱為KTC噪聲（或復(fù)位），一個大的噪聲分量，產(chǎn)生的是難以去除，不增強的電路設(shè)計。的縮寫K是玻爾茲曼常數(shù)，而T是操作溫度和?是出現(xiàn)在晶體管放大器的輸入節(jié)點，在光電二極管的電容和放大晶體管的輸入電容的總和組成的總電容。復(fù)位噪聲嚴重限制的信號噪聲比的圖像傳感器。兩個復(fù)位和其他噪聲源，通常被稱為放大器的1 / f的低頻噪聲，可控制的已知的技術(shù)，必須通過加入“測量”的第四實施相關(guān)雙采樣（CDS）（或傳輸）晶體管每一個像素。雙采樣算法功能單獨測量復(fù)位或放大器的噪聲，然后減去組合圖像信號的加復(fù)位噪聲。

光子散粒噪聲是顯而易見的，在拍攝的圖像的隨機圖案，由于照明量的統(tǒng)計波動的發(fā)生是由于在輸出信號中的時間的變化。陣列中的每個光電二極管產(chǎn)生光子散粒噪聲，在極端的CMOS圖像傳感器的性能可能會嚴重影響一個稍微不同的水平。這種類型的噪聲遠大于內(nèi)在的本底噪聲的傳感器的信號噪聲的主要來源，并在每一個圖像傳感器，包括CCD的存在。由工件產(chǎn)生的信號電荷（電子）的情況下的照明，并且可以表現(xiàn)出顯著的波動程度，從像素到像素的暗電流的產(chǎn)生，這是極大地依賴于操作條件。這種類型的噪聲是溫度敏感的，并且可以被刪除，通過冷卻所述圖像傳感器，或通過一個附加的幀存儲，它被放置在隨機存取存儲器中，從所捕獲的圖像中減去。

暗電流消除幾乎是不可能的，但可以減少通過利用固定的光電二極管技術(shù)CMOS傳感器的制造過程中。要創(chuàng)建一個釘扎光電二極管的像素，一個淺的P -型硅層被施加到表面的一個典型的N -阱的光感應(yīng)區(qū)域，以產(chǎn)生一個雙結(jié)夾心改變的可見光的光譜響應(yīng)的像素。表面交界處優(yōu)化的響應(yīng)較低的波長（藍色），而較深的接面是更敏感的較長的波長（紅光和紅外光）。其結(jié)果是，電子的電位以及密閉的N區(qū)域附近，遠離表面，這會導(dǎo)致降低暗電流和其相關(guān)聯(lián)的噪聲元素。在實踐中，它可以是困難的構(gòu)造被釘扎光電二極管的像素，在低電壓的CMOS傳感器的操作環(huán)境下，產(chǎn)生一個完整的復(fù)位。如果還沒有實現(xiàn)一個完整的復(fù)位條件，滯后可以引入到陣列中在復(fù)位晶體管噪聲，并相應(yīng)增加。釘扎光電二極管技術(shù)的其他好處是改善由于增強型捕捉的P -硅層的界面附近的短波長的可見光輻射的藍色響應(yīng)。

的晶體管，電容器和總線交織產(chǎn)生的感光區(qū)域的像素負責(zé)誘導(dǎo)在CMOS圖像傳感器中的熱噪聲。通過微調(diào)成像器帶寬可以減小這種類型的噪音，增加輸出電流，或冷卻的照相機系統(tǒng)。在許多情況下，的CMOS像素讀出的序列可以被用來降低熱噪聲，限制每個晶體管放大器的帶寬。加復(fù)雜和昂貴的珀爾帖或類似的冷卻裝置的廉價的CMOS圖像傳感器，這是不實際的，所以這些設(shè)備一般不使用，以降低噪聲。

CMOS像素架構(gòu)

有兩種基本的感光像素元素的硬件架構(gòu)的現(xiàn)代CMOS圖像傳感器中使用的：光電二極管和photogates（參見圖6）。在一般情況下，對可見光敏感的光電二極管設(shè)計，特別是在短波長（藍色）的光譜區(qū)。Photogate設(shè)備通常有較大的像素區(qū)域，但較低的填充因子和藍色的光響應(yīng)窮得多（一般量子效率）比光電二極管。然而，往往photogates達到更高的電荷-電壓轉(zhuǎn)換增益水平，可以很容易地被用來執(zhí)行相關(guān)雙采樣，以實現(xiàn)幀差分。

Photogate有源像素傳感器利用CCD技術(shù)，以減少噪音和CMOS圖像傳感器捕獲的圖像質(zhì)量提升的幾個方面。充電期間積累下的photogate整合本地化的一個潛在的很好的控制存取晶體管。在讀出過程中，支持的像素電路執(zhí)行一個兩階段的電荷轉(zhuǎn)移（作為電壓）到輸出總線。*步轉(zhuǎn)換成可測量的電壓放大器晶體管所積累的電荷發(fā)生。接著，對傳輸門脈沖來啟動收費運輸從感光區(qū)域的輸出晶體管，然后被傳遞到列總線上。這種傳輸技術(shù)允許兩個信號的采樣，可以利用的機會，通過高效的設(shè)計，以提高降噪。*次采樣的像素輸出的光電二極管復(fù)位后，再次積分后的信號電荷。從第二減去*信號，以除去低頻率的復(fù)位噪聲，photogate有源像素結(jié)構(gòu)，可以執(zhí)行相關(guān)雙采樣。

一個主要的好處的photogate設(shè)計降低噪音的功能，操作時，在光線較暗的水平相比，光電二極管傳感器。基于光電二極管的CMOS傳感器是有用的性能中級消費類應(yīng)用，具有低噪音，***的動態(tài)范圍，以及高度解決的顏色特性不要求高度精確的圖像。這兩款器件利用對經(jīng)濟的功率要求，可以得到滿意的電池，低電壓電源從計算機接口（USB和火線），或其他直流電源。通常情況下，范圍從3.3伏和5.0伏的電壓要求的CMOS處理器，但較新的設(shè)計遷移到值減少一半。

CMOS圖像傳感器的操作順序

在大多數(shù)CMOS光電二極管陣列的設(shè)計中，有源像素區(qū)域所包圍的區(qū)域的光屏蔽的像素，布置在8至12行和列，這是利用在黑電平補償。拜耳（或CMY）的濾色器陣列在*個非屏蔽的行和列的左上角的像素開始。每個積分周期開始時，在同一行中的所有的像素將被復(fù)位的板載定時和控制電路，一排在一時間，遍歷從*到編目的行地址寄存器的*后一行（見圖7）。使用模擬輸出的傳感器裝置，當(dāng)集成已經(jīng)完成，在相同的控制電路將轉(zhuǎn)移到一個相關(guān)雙采樣電路（CDS在圖7中的塊）的每個像素的積分值，然后水平移位寄存器。移位寄存器已被加載后，將被串行移位的像素信息（在一個時間的一個像素）的模擬視頻放大器。這種放大器的增益控制，可以通過硬件或軟件（以及在某些情況下，這兩者的組合）。與此相反，CMOS圖像傳感器與數(shù)字讀出器利用一個模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器的每一列中，在一排的每個像素轉(zhuǎn)換并行進行。然后，采用具有完成轉(zhuǎn)換的比特的數(shù)量的寬度等于一個數(shù)字總線輸出數(shù)據(jù)。在這種情況下，只有數(shù)字的值是“串聯(lián)”移。白平衡算法經(jīng)常應(yīng)用在這一階段的像素。

后，增益和偏移值被設(shè)置在視頻放大器（在圖7中標(biāo)記為視頻放大器）的像素信息，然后傳遞到模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換器，其中呈現(xiàn)的二進制數(shù)字的數(shù)字陣列成線性。隨后，數(shù)字像素數(shù)據(jù)被進一步處理以去除缺陷發(fā)生在“壞”的像素的黑電平補償前框上的數(shù)字輸出端口。黑電平補償算法（通常簡稱為幀速率鉗位）減去周圍的陣列的數(shù)字視頻輸出，以補償溫度和隨時間變化的暗噪聲水平在有源像素陣列的黑色像素的平均信號電平。

序列中的下一個步驟是圖像恢復(fù)（參見圖7）和應(yīng)用程序需要編寫*后的圖像顯示編碼的基本算法。*近鄰插值的像素上執(zhí)行，然后將其過濾，抗混疊的算法和縮放。回收引擎的附加的圖像處理中的步驟通常包括抗暈影，空間失真校正，白色和黑色平衡，平滑，銳化，色彩平衡，光圈校正，伽馬調(diào)整。在某些情況下，CMOS圖像傳感器配備輔助電路，使芯片上的功能，如抗抖動（圖像穩(wěn)定）和圖像壓縮。當(dāng)圖像已被充分地處理，它被發(fā)送到一個數(shù)字信號處理器，用于緩沖的輸出端口。

由于CMOS圖像傳感器能夠訪問在整個光電二極管陣列的各個像素數(shù)據(jù)，它們可以被用來選擇性地讀取和處理僅由選定的部分的像素為特定的圖像捕獲。這種技術(shù)被稱為窗口（或窗口中的感興趣的讀出），并顯著地擴大了與這些傳感器的圖像處理的可能性。窗口化控制，直接在芯片上，通過定時和控制電路，它能使任何尺寸的窗口，在有效區(qū)域內(nèi)的任何位置進行訪問和顯示與一對一個像素分辨率的陣列。這個功能是非常有用的，當(dāng)一個對象在一個次區(qū)域的圖像是必要的時空運動跟蹤。它也可以使用電子鍋，變焦，讀出速度加快，對選定的部分或整個圖像的傾斜操作，芯片上的控制。

大部分配備了多種高端CMOS傳感器讀出模式（類似那些在CCD傳感器），以增加通用性軟件接口編程和模板。 逐行掃描讀出模式使每一行中每一個像素的光電二極管陣列內(nèi)連續(xù)訪問（一次一個像素）與上左上角開始和進展，以較低的右上角。另一種流行的讀出模式被稱為隔行掃描，并通過讀取在兩個連續(xù)場，其次是一個奇數(shù)場一個偶數(shù)場的象素數(shù)據(jù)進行操作。交替行的陣列的頂部至底部的字段，每一行的一組記錄，可依次被讀取之前的下一個組。作為一個例子，在一個傳感器，其具有40個像素行中，*，第三，第五等下降到第39行首先被讀取，其次是第二，第四，第六，下降到第40行。

在CMOS圖像傳感器中的電子快門需要添加的一個或多個晶體管，每個像素中，有點不實用的方法，考慮到已經(jīng)受損的填充因子在大多數(shù)設(shè)備。這是對于大多數(shù)面掃描的圖像傳感器的情況下。然而，已經(jīng)開發(fā)了線掃描傳感器，快門晶體管放在相鄰的像素的有源區(qū)，以減少填充因數(shù)的負載。許多設(shè)計師已經(jīng)實施了不均勻滾動快門的解決方案，公開順序排在數(shù)組中的不同的時間間隔，利用*少的像素晶體管。雖然卷簾機制運作良好的靜止圖像，它們可以產(chǎn)生運動模糊，導(dǎo)致扭曲的圖像高幀速率。為了解決這個問題，工程師們已經(jīng)制作了統(tǒng)一的同步快門的設(shè)計，使整個陣列一次。因為這種方法需要在每個像素的額外的晶體管，有一些妥協(xié)更大的像素的填充因子比，除非被同時實施。

的*大數(shù)量的信號累積的電子通過光電二極管（充電容量）除以所有組成部分的傳感器讀出噪聲（本底噪聲）的總和，包括時間所產(chǎn)生的噪聲源，在特定的集成的CMOS圖像傳感器的動態(tài)范圍是由時間。所有暗噪聲源，如暗電流噪聲，以及像素讀出噪聲，時間和噪音從信號路徑（但不是光子散粒噪聲），所產(chǎn)生的貢獻，包括在這個計算中。本底噪聲限制在圖像的暗區(qū)的圖像質(zhì)量，并隨暴露時間的增加，由于暗電流的散粒噪聲。的效果，因此，動態(tài)范圍*大到*小的同時可檢測的信號（本底噪聲）的檢測信號的比率。經(jīng)常報道的動態(tài)范圍是在灰度級，分貝或位，比例較高的信號電子的噪聲，產(chǎn)生更大的動態(tài)范圍的值（分貝或位）。注意，動態(tài)范圍是由傳感器的信號對噪聲特性，而位深度的函數(shù)的傳感器中采用的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器（次）。因此，一個12位的數(shù)字轉(zhuǎn)換對應(yīng)于略*過4000個灰度級（72分貝），而10位的數(shù)字化可以解決1000個灰度級，具有適當(dāng)?shù)谋忍厣疃葹?0分貝的動態(tài)范圍。由于傳感器的動態(tài)范圍增加時，能夠同時記錄的圖像（動態(tài)范圍intrascene）在*暗和亮的強度得以改善，因為定量測量功能的探測器。的interscene的動態(tài)范圍表示的頻譜的強度時，可以容納不同的視場的檢測器增益，積分時間，鏡頭的光圈，和其他變量作相應(yīng)調(diào)整。

其中*多才多藝的CMOS圖像傳感器的能力是他們的能力在非常高的幀速率捕捉圖像。這使記錄時間推移序列，通過軟件控制的接口的實時視頻。每秒30和60幀之間的價格是常見的，而一些高速成像器，可實現(xiàn)加速率*過1000。額外的支持電路，包括協(xié)處理器和外部隨機存取記憶體是必要的，以生產(chǎn)相機系統(tǒng)，可以利用這些功能。

結(jié)論

CMOS圖像傳感器制造既定的標(biāo)準(zhǔn)硅工藝的高容量晶片廠也生產(chǎn)相關(guān)的芯片，如微處理器，存儲器電路，微控制器和數(shù)字信號處理器。的巨大優(yōu)點是，數(shù)字邏輯電路，時鐘驅(qū)動器，計數(shù)器和模擬 - 數(shù)字轉(zhuǎn)換器可放置在相同的硅的基礎(chǔ)上，在同一時間的光電二極管陣列。這使得參與過程中收縮移動到更小的線寬以*小的重新設(shè)計，在類似的方式對其他集成電路的CMOS傳感器。即便如此，為了保證具有高性能的低噪聲器件，是標(biāo)準(zhǔn)的CMOS制造工藝通常必須進行修改，具體容納圖像傳感器。例如，創(chuàng)建邏輯芯片中的晶體管路口的標(biāo)準(zhǔn)CMOS技術(shù)應(yīng)用于成像裝置時，可能會產(chǎn)生較高的暗電流和低藍色響應(yīng)。優(yōu)化圖像傳感器的過程往往涉及權(quán)衡呈現(xiàn)常見的CMOS器件制造的情況下，不可靠的。

繼續(xù)萎縮，在過去的幾年中，從10-20微米巨頭像素統(tǒng)治的20世紀90年代中期的設(shè)備，目前市場淹沒6-8微米傳感器像素大小。微型電子成像設(shè)備，如監(jiān)控和電話攝像頭，更大的需求促使設(shè)計者進一步下降像素大小。正在利用4-5微米像素的圖像傳感器，具有較小的陣列設(shè)備，但多萬像素的芯片將要求在3至4微米范圍內(nèi)的像素大小。為了實現(xiàn)這些尺寸，CMOS圖像傳感器必須在0.25微米或更窄的組裝線。通過使用窄的線寬，更多的晶體管可以被打包到每個像素的元件，同時維持可接受的填充因子設(shè)置，縮放比例因子的方法的統(tǒng)一。與0.13至0.25微米的生產(chǎn)線，*的技術(shù)，如在像素的模擬 - 數(shù)字轉(zhuǎn)換器，全彩色的處理，接口邏輯，及其他相關(guān)的調(diào)整，以增加柔韌性和動態(tài)范圍的CMOS傳感器的復(fù)雜的電路應(yīng)該成為可能。

雖然許多CMOS制造工廠缺乏加入彩色濾光片，微透鏡陣列的工藝步驟，這些步驟正在越來越多地實現(xiàn)圖像傳感器生產(chǎn)，隨著市場需求的增長。此外，光學(xué)封裝技術(shù)，這是至關(guān)重要的成像設(shè)備，需要干凈的房間和平板玻璃處理設(shè)備，通常不會在標(biāo)準(zhǔn)邏輯和處理器集成電路制造的工廠。因此，可以顯著提升圖像傳感器的制造成本。

CMOS圖像傳感器的應(yīng)用程序列表在過去幾年顯著增長。20世紀90年代后期以來，CMOS傳感器已經(jīng)越來越多的應(yīng)用，如傳真機，掃描儀，安全攝像機，玩具，游戲，PC攝像頭和低端消費相機的成像設(shè)備銷售入賬。多才多藝的傳感器也可能會開始出現(xiàn)在手機，條碼閱讀器，光電鼠標(biāo)，汽車，家用電器甚至在未來幾年。由于連續(xù)的影像捕捉能力，在高幀速率，CMOS傳感器正越來越多地用于工業(yè)檢測，武器系統(tǒng)，流體動力學(xué)，和醫(yī)療診斷。雖然不是有望取代在大多數(shù)高端應(yīng)用的CCD，CMOS圖像傳感器隨著技術(shù)的進步，應(yīng)該繼續(xù)尋找新的家園。