CMOS圖像傳感器理解
水流方向從左邊流向右邊，上面有一個開關，擰下去的時候水流停止，擰上去的時候水流打開。左邊是水流的源頭我們給它起個名字，叫做源端（就是源頭的意思嘛），右邊是水流出去的地方，也就是說水都從這個地方漏出去了，我們也給它起個名字叫做漏端。上面的開關控制着有沒有水從源端流到漏端，像是一個柵欄一樣，如果這個柵欄放下來，就阻斷了水流的流向，如果放上去，正好相反，那我們也給它起個名字，叫做柵端（但是，這里如果讀作zha四聲，那就太難聽了，查了一下新華字典，這個字還可以讀作shan一聲，這樣就好聽多了，所以我們一律讀shan一聲）。其實柵端不僅僅控制有沒有水流，還要控制水流的大小。那怎么控制呢，細心的人會發現開關上有螺紋，可以控制這個柵欄下去的深度，從而達到控制水流大小的目的，這樣就避免了我輕輕一碰開關，水流就直接流出來的尷尬。這就是水龍頭的工作原理，我們可以將這個圖片再簡化一下。如下
當我們對柵端施加一個壓力時，會控制水流大小從源端流向漏端。
但是這里要注意，這里有三個狀態，沒有水的狀態，很小水量的狀態（因為柵端壓力太小，沒有完全打開），水量充足狀態（柵端壓力已經把柵欄完全打開）。
CMOS原理
其實聊到這里我們已經了解了CMOS的工作原理，怎么？還不明白?那好吧，我們再換個名字，比如這樣。
在N型半導體中，在源端和漏端打入N型材料，如果在源端接地（0V），在漏端接一個相對較大的正電壓，那么電子流根據異性相吸的原則也會從源端流向漏端。你可能會問，那柵端的作用是啥呢？其實柵端的作用和水龍頭一樣，控制着有沒有電子流或者電子流的大小。我們再畫個圖
當我們在柵端加一個正電壓時，源端的電子流和柵端的左側靠的進，所以源端的電子流首先往右上角走（因為二氧化硅是純絕緣體，所以不會有源端的電子跑到上面去）。當柵端的電壓越大時，電子就越往右，直到當柵端電壓大於某個值時，源端的電子流可以流到漏端了。這樣電子流就有一個完整的通路了。只要源，柵，漏端的電壓不變，電子流會源源不斷的從源端到漏端，就形成下面這個圖的樣子~
圖像傳感器是將光信號轉換為電信號的裝置，在數字電視、可視通信市場中有着廣泛的應用。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。
但是隨着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，不能與標准工藝兼容。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准的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。由於具有上述特點，它適合大規模批量生產，適用於要求小尺寸、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
CMOS圖像傳感器是一種典型的固體成像傳感器，與CCD有着共同的歷史淵源。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、單一時鍾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結構
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，並且提高信噪比。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。為了便於攝像頭的應用，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，並增加了信噪比。由於制造工藝的限制，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，隨着制作工藝的提高，使在像素內部增加復雜功能的想法成為可能。現在，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）的一台先進的CMOS攝像機所用的CMOS圖傳感器上，每一個像素中都設計並使用了6個晶體管，測試到的讀出噪聲只有1均方根電子。不過，隨着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，隨着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、甚至於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。
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，不同點在於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。
CMOS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並輸出圖像信號的像素為有效像素。顯而易見,有效像素總數隸屬於像素總數集合。有效像素數目直接決定了CMOS圖像傳感器的分辨能力。
3、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。對於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。
4、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。
5、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圖像傳感器在標准的均勻照明條件下,各個像元的固定噪聲電壓峰峰值與信號電壓的比值。
6、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。