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CMOS图像处理器课程研究报告电子1906 罗某某

***30CMOS图像传感器基本结构

一个典型的CMOS图像传感器结构如下图所示。这个结构包括由有源像素传感器(APS) 构成的像素阵列(pixel array)、垂殖扫描电路(vertical scan)、每一 列像素共享的列读出通道和列选择开关、模拟图像信号放大器、模数转换器和图像数据输出等。控制器控制各个图像信息获取部件,进行所需要的曝光读出同步操作。控制数据-般由外部通过串行数据输入端口(如IIC、 SPI) 输入，并存储在控制数据存储器中。CMOS图像传感器的发明及其发展历程 半导体材料的光电效应9早在19世纪就已被人们发现，而固态图像传感器的发展则要从1965年美国仙童半导体的G. P. Weckler发现反偏PN结的光电特性算起[1]。在1967年,第一颗基于MOS管的图像传感器诞生[2]，它的光电探测器部分正是利用了反偏PN结的无源像素(Passive Pixel Sensor,PPS)结构，这也是现代CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor图像传感器最早的原型。但是直到二十世纪90年代初，基纡无源像素结构的CMOS图像传感器仍然存在较大的噪声以及图像拖尾等问题而难以得到实际应用[3]。而在二二 十世纪70年代至90年代初的这段时间里，正是另一种固态图像传感器一基基电荷耦合器件(Charge- Coupled Device, CCD)的图像传感器大放光彩的时候。CMOS图像传感器的优缺点 CMOS(CompementaryMetalOxideSemiconductor)指互补金属氧化物半导体，是电压控制的一种放大器件，是组成CMOS数字集成电路的基本单元。在数字影像领域，CMOS作为一种低成本的感光元件技术被发展出来，市面上常见的数码产品，其感光元件主要就是CCD或者CMOS，尤其是低端摄像头产品，而通常高端摄像头都是CCD感光元件。

CMOS制造工艺被应用于制作数码影像器材的感光元件，是将纯粹逻辑运算的功能转变成接收外界光线后转化为电能，再造过芯片上的模一数转换器(ADC)将获得的影像讯号转变为数字信号输出。CMOS主要特点：

(1)成像过程中产生的噪声高

(2)集成性高

(3)读出速度快，地址选通开关可随机采样，获得更高的速度

(4)噪声：由于CMOS图像传感器集成度高，各元件、电路之间距离很近，干扰比较严重，噪声对图像质量影响很大。随着CMOS电路消噪技术的不断发展，为生产高密度优质的CMOS图像传感器提供了良好的条件。

COMS优点：相对于其他逻辑系列，CMOS逻辑电路具有以下优点：

⒈ 允许的电源电压范围宽，方便电源电路的设计

⒉ 逻辑摆幅大，使电路抗干扰能力强

⒊静态功耗低

⒋ 隔离栅结构使CMOS期间的输入电阻极大，从而使CMOS期间驱动同类逻辑门的能力比其他系列强得多

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。在相同分辨率下，CMOS价格比CCD便宜，但是CMOS器件产生的图像质量相比CCD来说要低一些。CMOS图像传感器应用领域及其发展趋势1、PC终端摄像头

1.1 应用要求：

网络视频聊天，基本的电脑视频采集应用（如人脸、手势识别等），帧率一般30fps，动态图像获取占主要；

2、数码相机

2.1 应用要求：

场景拍摄，注重成像的质量和效果，对分辨率和对画质的要求高；

3、手机及平板电脑

3.1 应用要求：

拍摄静态图像，连拍功能，短片拍摄，越来越注重成像的质量和效果；对画质的要求高某某，对制造成本和功耗要求高；

4、监控摄像头

4.1 应用要求：

满足白天晚上视频监控需求，动态图像为主，画质要求越来越高。使用环境各异，如室内外的强弱光线，高某某、逆光强光和光线折射的环境等。

5、工业摄像机

5.1 应用要求：

工业摄像机属专用摄像机，一般用于高性能的工业检测，与其他常规摄像机相比，它具有高分辨率、高精度、高清晰度、色彩还原好、低噪声、可承受地面试验和工业应用中的恶劣环境等特点。

CMOS图像传感器市场份额随着图像传感技术的不断革新及下游行业应用规模的逐步扩大，全球图像传感器市场规模近十 年来都呈现出持续增长态势。自 2016 年至 2020 年，全球图像传感器出货量从 2016 年的 46.9 亿颗 快速增长至 2020 年的 82.6 亿颗，期间年复合增长率达到 15.2%。展望未来，各应用领域对于图像传 感器的更广更深的需求预计仍会助其维持一定的增长速度。全球图像传感器出货量有望在 2025 年达 到 120.8 亿颗，2021 年至 2025 年期间年复合增长率预计将达到 7.9%。CMOS图像传感器市场份额近年来各头部 CMOS 图像传感器设计厂商不断推进背照式和堆栈式技术，让 CMOS 图像传感器 从过去主导的智能手机市场逐渐朝汽车、安防监控、医疗、VR 以及工业等诸多细分市场渗透覆盖。 得益于安防监控、汽车电子和其他新兴领域的快速发展及多摄手机的广泛普及，CMOS 图像传感器 的整体出货量及销售额不断扩大。自 2016 年至 2020 年，全球 CMOS 图像传感器出货量从 41.4 亿 ? Frost & Sullivan, 2021 Page 6 颗快速增长至 77.2 亿颗，期间年复合增长率达到 16.9%。预计 2021 年至 2025 年，全球 CMOS 图像 传感器的出货量将继续保持 8.5%的年复合增长率，2025 年预计可达 116.4 亿颗。CDD与CMOS图像传感器比较（一）ccd

ccd和cmos的优缺点及区别解析，CCD的英文全称是“Charge-coupledDevice”，中文全称是电行耦合元件，通常称为CCD图像传感器。CCD是一种半导体器件，能够把光学影像转化为数字信号，CCD上植入的微小光敏物质称作像素(Pixel)，一块CCO上包含的像素数越多，其提供的画面分辨率也就越高。CCD作用就像胶片一样，但它是把图像像素转换成数字信号，CCD上有许多排列整齐的电容，能感应光线，并将影像转变成数字信号。经由外部电路的控制，每个小电容能将其所带的电行转给它相邻的电容。

CCD图像传感器可直接将光学信号转换为模拟电流信号，电流信号经过放大和模数转换，实现图像的获取.存储、传输.处理和重现，CCO图像传感器具有如下特点：

(1)体积小重量轻

(2)功耗小，工作电压低;抗冲击与震动，性能稳定，寿命长

(3)灵敏度高，噪声低，动态范围大

(4)响应速度快，有自扫描功能，图像畸变小，无残像

(5)应用超大规模集成电路工艺技术生产，像素集成度高，尺寸精确，商品化生产成本低。（二）cmos

CMOS(CompementaryMetalOxideSemiconductor)指互补金属氧化物半导体，是电压控制的一种放大器件，是组成CMOS数字集成电路的基本单元。在数字影像领域，CMOS作为一种低成本的感光元件技术被发展出来，市面上常见的数码产品，其感光元件主要就是CCD或者CMOS，尤其是低端摄像头产品，而通常高端摄像头都是CCD感光元件。

CMOS制造工艺被应用于制作数码影像器材的感光元件，是将纯粹逻辑运算的功能转变成接收外界光线后转化为电能，再造过芯片上的模一数转换器(ADC)将获得的影像讯号转变为数字信号输出。CMOS与CCD主要有以下不同：

(1)成像过程中产生的噪声高

(2)集成性高

(3)读出速度快，地址选通开关可随机采样，获得更高的速度

(4)噪声：由于CMOS图像传感器集成度高，各元件、电路之间距离很近，干扰比较严重，噪声对图像质量影响很大。随着CMOS电路消噪技术的不断发展，为生产高密度优质的CMOS图像传感器提供了良好的条件。ccd和cmos的优缺点解析ccd和cmos的优缺点如下：

COMS优点：相对于其他逻辑系列，CMOS逻辑电路具有以下优点：

⒈ 允许的电源电压范围宽，方便电源电路的设计

⒉ 逻辑摆幅大，使电路抗干扰能力强

⒊静态功耗低

⒋ 隔离栅结构使CMOS期间的输入电阻极大，从而使CMOS期间驱动同类逻辑门的能力比其他系列强得多

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。在相同分辨率下，CMOS价格比CCD便宜，但是CMOS器件产生的图像质量相比CCD来说要低一些。

CCD的优势：在于成像质量好，但是由于制造工艺复杂，只有少数的厂商能够掌握，所以导致制造成本居高不下，特别是大型CCD，价格非常高昂。

CMOS影像传感器的优点之一是电源消耗量比CCD低，CCD为提供优异的影像品质，付出代价即是较高的电源消耗量，为使电荷传输顺畅，噪声降低，需由高压差改善传输效果。但CMOS影像传感器将每一画素的电荷转换成电压，读取前便将其放大，利用3.3V的电源即可驱动，电源消耗量比CCD低。CMOS影像传感器的另一优点，是与周边电路的整合性高，可将ADC与讯号处理器整合在一起，使体积大幅缩小。

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