成像电子器件在成像系统性能中起着至关重要的作用。该系统包括不同的组件，如相机、软件、捕获板、电缆等。因此，理解相机传感器的概念非常重要，因为它是成像系统或相机中的重要组件，但由于设计中的电子接口，具有类似传感器的两个不同相机可能具有不同的性能和特性。过去，像Vidicons和Plumbicon这样的光电管被用作相机中的图像传感器，但现在这些传感器有两种类型CMOS传感器和CCD传感器。图像传感器是一种用于将光学图像转换为数字信号的半导体器件，广泛应用于数码相机和光学器件中。


什么是CMOS传感器？

CMOS传感器或互补金属氧化物半导体传感器是一种电子芯片，用于将光子转换为电子进行数字处理。这些传感器主要用于在数码相机、数码CCTV相机和数码摄像机中创建图像。这些电子芯片也可以在扫描仪、条形码阅读器和天文望远镜中找到。CMOS的低成本制造使得生产低成本的消费设备成为可能。

ding="async" class="size-medium wp-image-42265" src="https://uploads.9icnet.com/images/aritcle/20230518/CMOS-Sensor-300x188.jpg" alt="CMOS Sensor" width="300" height="188" sizes="(max-width: 300px) 100vw, 300px">
CMOS传感器

CMOS传感器利用光电效应原理将光子转化为电能。与CCD传感器不同，CMOS传感器会将电荷直接转换为像素内的电压。目前，CMOS传感器具有出色的图像质量和高帧率，因此可用于基于高性能的工业相机。

CMOS传感器设计

在CMOS图像传感器中，来自像素位置的光敏像素的电荷可以改变为电压&信号通过行和列多路传输，并由数模转换器芯片接收。

CMOS传感器是一种数字设备，每个位置都包括一个光电二极管和三个晶体管，用于执行不同的任务，如激活和重置像素、放大和电荷转换以及多路复用或选择。

CMOS Sensor Design
CMOS传感器设计

CMOS传感器的多路复用配置经常与电子卷帘连接；即使在像素位置有额外的晶体管，也可以实现全局快门，同时覆盖所有像素，然后串行读出。

CMOS传感器多层制造过程不允许在芯片上使用微透镜，从而降低了有效的收集效率。因此，与CCD传感器相比，这种通过像素间差异组合的效率较低，信噪比较低，整体图像质量也较低。

CMOS传感器是如何工作的？

相机系统内的图像传感器接收通过透镜聚焦的入射光。基于CMOS或CCD等图像传感器的类型，相机系统将向下一阶段传输数据，如数字信号或电压。

CMOS传感器将光子转化为电子，然后通过片上ADC（模数转换器）将其转化为数字值。

根据数码相机的制造商，相机系统中使用的组件及其设计将发生变化。这种设计的主要功能是将光转换为数字信号，然后可以对其进行检查，以激活一些进一步的增强或用户定义的动作。

在消费者层面使用的相机配有额外的组件，用于将图像存储在存储器、LCD和开关以及控制旋钮中，但机器视觉型相机不包括在内。

CMOS传感器类型

有两种类型的CMOS传感器，如有源像素传感器和无源像素传感器，其中每种类型将在下面讨论。

有源像素传感器

有源像素传感器是一种由像素传感器集合设计的图像传感器。在这种类型的传感器中，每个像素传感器都包括一个放大器和一个光电探测器。在这种有源像素传感器（APS）中，CMOS APS是最著名的传感器，因为它们在单反、数码相机等方面有着巨大的应用。

这种传感器是通过CMOS工艺制造的，因此被称为CMOS APS。这种传感器类似于CCD或电荷耦合器件，因为它们也被称为有源像素图像传感器和有源像素传感器成像器。

Active Pixel Sensor
有源像素传感器

CMOS有源像素传感器使用光电探测器来检测光线，并将其转换为电信号。之后，这个信号通过不同的晶体管放大，然后通过固定的导线传输。
CMOS APS应用主要包括运动捕捉相机、X射线成像、网络相机、内窥镜检查相机、数字射线照相等。

无源像素传感器

在这些传感器中，每个无源像素都包括一个存取晶体管和一个光电二极管。该传感器中的像素通过通过类似行内的像素共享的访问使能线以二维结构排列，并且通过列共享输出线。

每个列的末端都包括一个放大器。这些传感器主要受到读取速度慢、缺乏可扩展性和高噪声等限制。因此，这些问题可以通过在每个像素上增加一个放大器来解决。

Passive Pixel Sensor
无源像素传感器

无源像素CMOS传感器使用光电场将光子转换为电压，但在整个图像开发过程中产生的噪声是这种传感器的主要缺点之一。

CMOS传感器IC

最广泛使用的CMOS传感器IC是OV7670摄像机传感器单元这是一种高灵敏度、低电压、小尺寸的CMOS图像传感器模块，用于捕获和处理图像。该模块有来自不同制造商的不同引脚配置。OV7670 IC提供不同格式的窗口8位和全帧图像。

OV7670主要包括图像传感器阵列、A/D转换器、定时发生器、模拟信号处理器、图像标量、DSP、测试模式发生器、数字视频端口、LED等。该图像传感器可以通过SCCB或串行相机控制总线进行控制，该总线是一个I2C接口，最大CLK频率为400KHz。

请参阅此链接了解CMOS OV7670相机模块接口

CMOS和CCD传感器的区别

这个CMOS传感器与CCD传感器的差异下文将对此进行讨论。

CMOS传感器

CCD传感器
CMOS传感器是一种金属氧化物半导体芯片，用于将光转换为电信号。 它是一种电荷耦合器件，用于传输带电信号。
CMOS传感器有有源像素和无源像素两种类型。 CCD传感器有三种类型，如全帧、帧传输和线间传输。
低功耗 中等至高功耗
中等复杂性 复杂性低
CMOS分辨率从低到高 CCD分辨率从低到高
均匀性低 高均匀性
它具有中等的动态范围 它的动态范围较低
中等至高噪声级 低噪音水平
填充系数适中 填充系数高
芯片信号为数字信号 芯片信号为模拟信号
这些传感器的设计并不昂贵，因为这些传感器是在大多数典型的硅生产线上设计的。 这些发电成本很高。
CMOS传感器的应用范围从工业自动化到基于交通控制的应用。 CCD传感器用于手持、监控、台式计算机的摄像机等。

优势

这个CMOS传感器的优点包括以下内容。

  • 功耗低。
  • 成本更低。
  • 较低的暗噪声将提供更高可靠性的图像。
  • 与读出逻辑一样小的相机尺寸可以包括在类似的芯片中。
  • 灵活的读出，因为直接的单个像素寻址允许更多的存储箱和有限的扫描可能性。
  • 在近红外范围内具有更高的灵敏度。
  • 与CCD相比，帧速率很高。
  • 开花大大减少。
  • 他们制作出很好的高清视频。
  • 这些传感器用于手机、平板电脑等。
  • CMOS成像器具有更好的性能。

缺点

这个CMOS传感器的缺点包括以下内容。

  • 这些传感器更容易受到噪声的影响，并且图像有时是颗粒状的。
  • 这些传感器利用更多的光来增强图像。
  • 在这个传感器中，每个像素都执行其转换。
  • 图像的均匀性和质量很低。

应用

这个CMOS传感器的应用包括以下内容。

  • 这些传感器用于海洋、汽车、制造、航空、医疗保健、天文、医疗和数字摄影等不同领域。
  • CMOS传感器涵盖了从自动化到基于交通的应用，如盲制导、瞄准系统、主动或被动测距仪等。
  • 这些传感器将光子转换为电子，用于数字处理。
  • 这些传感器将在数字摄像机、数字闭路电视摄像机和数字视频摄像机中创建图像。
  • 这些传感器用于高分辨率相机。
  • 先进的CMOS传感器用于增强现实、计算摄影、生物医学成像、数字医疗等不同领域。

因此，这一切都是关于CMOS传感器简介的概述，包括设计、工作、类型、优点、缺点及其应用。这里有一个问题要问你，CMOS和CCD图像传感器之间有什么区别？