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CMOS 图像传感器的原理和技术发展 一、 CMOS 图像传感器基本结构 1,基本概念 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。CMOS 的制造技术和一般计算机芯片没什么差别，由 PMOS 和 NMOS 管共同构成，主要是利用硅和锗这两种元素所做成的半导体，使其在 CMOS 上共存 着带 N （带-电） 和 P （带+电）级的半导体，这两个互补效应所产生的电流即可 被处理芯片纪录和解读成影像。由于 CMOS 中一对 MOS 组成的门电路在瞬间要么 PMOS 导通，要么 NMOS 导通，要么都截止，所以比三极管效率高得多。因此功 耗很低。CMOS 技术及其工艺广泛应用于计算机领域并且非常成熟,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)。 CMOS 和 CCD 一样同为在数码相机中可记录光线变化的半导体。CMOS 的制 造技术和一般计算机芯片没什么差别，主要是利用硅和锗这两种元素所做成的半导 体，使其在 CMOS 上共存着带 N （带–电） 和 P （带+电）级的半导体，这两个互 补效应所产生的电流即可被处理芯片纪录和解读成影像。然而，CMOS 的缺点就是 太容易出现杂点, 这主要是因为早期的设计使 CMOS 在处理快速变化的影像时，由 于电流变化过于频繁而会产生过热的现象。 除了 CCD 和 CMOS 之外，还有富士公司独家推出的 SUPER CCD， SUPER CCD 并没有采用常规正方形二极管，而是使用了一种八边形的二极管，像 素是以蜂窝状形式排列，并且单位像素的面积要比传统的 CCD 大。将像素旋转 45 度排列的结果是可以缩小对图像拍摄无用的多余空间，光线集中的效率比较高，效 率增加之后使感光性、信噪比和动态范围都有所提高。 传统 CCD 中的每个像素由一个二极管、控制信号路径和电量传输路径组 成。SUPER CCD 采用蜂窝状的八边二极管，原有的控制信号路径被取消了，只需 要一个方向的电量传输路径即可，感光二极管就有更多的空间。SUPER CCD 在排 列结构上比普通 CCD 要紧密，此外像素的利用率较高，也就是说在同一尺寸下， SUPER CCD 的感光二极管对光线的吸收程度也比较高，使感光度、信噪比和动态 范围都有所提高。 那为什么 SUPER CCD 的输出像素会比有效像素高呢？我们知道 CCD 对 绿色不很敏感，因此是以 G－B－R－G 来合成。各个合成的像素点实际上有一部分 真实像素点是共用，因此图象质量与理想状态有一定差距，这就是为什么一些高端 专业级数码相机使用 3CCD 分别感受 RGB 三色光的原因。而 SUPER CCD 通过改 变像素之间的排列关系，做到了 R、G、B 像素相当，在合成像素时也是以三个为一 组。因此传统 CCD 是四个合成一个像素点，其实只要三个就行了，浪费了一个，而 SUPER CCD 就发现了这一点，只用三个就能合成一个像素点。也就是说，CCD 每 4 个点合成一个像素，每个点计算 4 次；SUPER CCD 每 3 个点合成一个像素，每 个点也是计算 4 次，因此 SUPER CCD 像素的利用率较传统 CCD 高，生成的像素 就多了 CCD 的特色在于充分保持信号在传输时不失真（专属通道设计），透过每 一个像素集合至单一放大器上再做统一处理，可以保持资料的完整性；CMOS 的制 程较简单，没有专属通道的设计，因此必须先行放大再整合各个像素的资料。 1.ISO 感光度差异： 相同像素下，同样大小之感光器尺寸，CMOS 的感 光度会低于 CCD。 2.解析度差异：CCD 感光器的解析度通常会优于 CMOS。 3.噪点差异：CMOS 的早点会比 ccd 多一点 4.耗电量差异：ccd 的耗电量要更小一些 尽管 CCD 在影像品质等各方面均优于 CMOS，但不可否认的 CMOS 具有低 成本、低耗电以及高整合度的特性。 由于数码影像的需求热烈，CMO