概念

CMOS称为互补式金属氧化物半导体（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，缩写作 CMOS），是一种集成电路的设计工艺，可以在硅质晶圆模板上制出NMOS（n-type MOSFET）和PMOS（p-type MOSFET）的基本元件，由于NMOS与PMOS在物理特性上为互补性，因此被称为CMOS。
CMOS可用来制作电脑电器的静态随机存取内存、微控制器、微处理器与其他数字逻辑电路系统以及用于光学仪器上，如CMOS图像传感器。
图像传感器的作用是将入射光（光子）转换为可以查看，分析或存储的电信号，并且图像传感器可以根据结构类型可以分为：前照式、背照式和堆栈式

CMOS相机的基本构成

CMOS相机由镜头（Lens）、CMOS图像传感ISP处理芯片以及IO接口芯片组成。
在这里插入图片描述
CMOS图像传感器的作用：

光电转换：将光信号转换为电信号；
电荷积聚：收集产生的电荷作为信号电荷；
信号转移：将信号电荷移动到检测节点；
信号检测：将信号电荷转换为电信号（电压）；
模数转换：将电压信号转换为数字信号；
ISP模块作用：将CMOS图像传感器采集的原始图像（通常为Bayer格式）经过ISP pipeline处理流程转换为较高质量且可以显示的YUV格式图像。

CMOS模组基本结构

CMOS图像传感器一般由保护玻璃（Cover Glass）、传感器芯片（Sensor Chip）、焊丝（Wire Bonds）、外壳（Package）以及接触垫（Contact Pads）组成，如图所示，不同的CMOS图像传感器采用不同的Package格式，并利用Contact Pads与PCB板进行连接。
在这里插入图片描述

CMOS传感器芯片结构

CMOS图像传感器芯片通常由像敏单元阵列、行驱动器、列驱动器、时序控制逻辑、AD转换器、数据总线输出接口、控制接口等几部分组成，如图所示。这几部分通常都被集成在同一块硅片上，其工作过程一般可分为复位、光电转换、积分、读出几部分。
在这里插入图片描述
首先，外界光照射像素阵列，发生光电效应，在像素单元内产生相应的电荷。
行选择逻辑单元根据需要，选通相应的行像素单元。行像素单元内的图像信号通过各自所在列的信号总线传输到对应的模拟信号处理单元以及A/D转换器，转换成数字图像信号输出。其中的行选择逻辑单元可以对像素阵列逐行扫描也可隔行扫描。行选择逻辑单元与列选择逻辑单元配合使用可以实现图像的窗口提取功能。
模拟信号处理单元的主要功能是对信号进行放大处理，并且提高信噪比。另外，为了获得质量合格的实用摄像头，芯片中必须包含各种控制电路，如曝光时间控制、自动增益控制等。
为了使芯片中
按规定的节拍动作，必须使用多个时序控制信号。为了便于摄像头的应用，还要求该芯片能输出一些时序信号，如同步信号、行起始信号、场起始信号等。

像素结构

在这里插入图片描述

基本参数

传感器尺寸：传感器对角线的长度（英寸）。传感器尺寸越大，成像系统尺寸就越大，可以捕获的光子就越多，感光性能越好，信噪比越低；
填充系数：像素中感光区域面积与像素面积的比率（有效像素面积/总像素面积）；或者微透镜的覆盖率；
像素总数和有效像素数：像素总数是指所有像素的总和，像素总数是衡量CMOS图像传感器的主要技术指标之一。CMOS图像传感器的总体像素中被用来进行有效的光电转换并输出图像信号的像素为有效像素。显而易见，有效像素总数隶属于像素总数集合。有效像素数目直接决定了CMOS图像传感器的能力；
分辨率：图像传感器对景物中明暗细节的分辨能力，通常用调制传递函数（MTF）来表示，也可以用空间频率（Ip/mm）表示；
像元尺寸：也就是像素的大小，是指芯片像元阵列上的每个像素的实际物理尺寸，像元尺寸从某种程度上反映了芯片的对光的响应能力，像元尺寸越大，能够接收到的光子数量越多，在同样的光照条件和曝光时间内产生的电荷数量越多。对于弱光成像而言，像元尺寸是芯片灵敏度的一种表征。
快门类型：全局快门和滚动快门
量子效率（QE）：是衡量某个颜色通道或者某个频率/波长的光子转换成电子的效率，在不同的波长上QE是不一样的。
灵敏度：图像传感器对入射光功率的响应能力，CMOS采用电流灵敏度来反映响应能力，电流灵敏度是单位光功率所产生的信号电流。
满阱容量：光子照射到图像传感器上时，被像素平面吸收的光子会被转换为电子，这些电荷会在像素势阱中积蓄，达到积累上限时，就不能进行光电转换，将积累的最大电子数定义为像素的饱和电子容量，CMOS在此时的输出数字信号成为饱和输出。因此当噪声一定时，满阱容量越大，接收到的电子就越多，电讯号就越强，信噪比就越高，得到的图像就越好。
动态范围：由CMOS图像传感器的信号处理能力和噪声决定，反映了CMOS图像传感器的工作范围，是输出端信号峰值电压与均方根噪声电压的比值。
信噪比：是信号电压对于噪声电压的比值，信噪比的单位为dB，信噪比越大说明对噪声的控制越好。