CMOS圖像傳感器是一種典型的固體成像傳感器，與CCD有著共同的歷史淵源。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反激式變壓器、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晶圓上。其工作過程一般可分為復位、光電轉換、積分、讀出幾部分。
1963年Morrison發表了可計算傳感器，這是一種可以利用光導效應測定光斑位置的結構，成為CMOS圖像傳感器發展的開端。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。
發展歷史
1873年，科學家約瑟·美(Joseph May)及偉洛比·史密夫(WilloughbySmith)就發現了元素結晶體感光后能產生電流，由此，電子影像發展開始，隨著技術演進，圖像傳感器性能逐步提升。
20世紀50年代，光學倍增管(Photo 乘法器 Tube，簡稱PMT)出現。1963年Morrison發表了可計算傳感器，這是一種可以利用光導效應測定光斑位置的結構，成為CMOS圖像傳感器發展的開端。1965年至1970年，IBM、Fairchild等企業開發光電以及雙極二極管陣列。1970年，CCD圖像傳感器在Bell實驗室發明，依靠其高量子效率、高靈敏度、低暗電流、高一致性、低噪音等性能，成為圖像傳感器市場的主導。1995年低噪聲的CMOS有源像素傳感器單片數字相機獲得成功，正式步入CMOS時代。
組成與原理
AD轉換器
首先，外界光照射像素陣列，發生光電導效應，在像素單元內產生相應的電荷。行選擇邏輯單元根據需要，選擇相應的行像素單元。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，并且提高信噪比。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。為了便于攝像頭的應用，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，并增加了信噪比。由于制造工藝的限制，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。
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，并增加了信噪比。由于制造工藝的限制，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。
隨著制作工藝的提高，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。
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，隨著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。
CMOS圖像傳感器結構類型
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導效應原理，不同點在于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。
無源像素被動式傳感器
PPS出現得最早，結構也最簡單，使得cmos圖像傳感器走向實用化，其結構原理如圖2所示。無源像素具有單元結構簡單、尋址簡單、填充系數高、量子效率高等優點，但它靈敏度低、讀出噪聲大。因此PPS不利于向大型陣列發展，所以限制了應用，很快被APS代替。
光敏二極管像素單元
光敏二極管像素單元是由光敏二極管，復位管，源跟隨和行選通開關管組成。APS比聚苯硫醚具有低讀出噪聲和高讀出速率等優點，但像素單元結構復雜，填充系數降低，填充系數一般只有20%到30%。它的工作過程是：首先進入“復位狀態”，復位管打開，對光敏二極管復位；然后進入“取樣狀態”，復位管關閉，光照射到光敏二極管上產生光生載流子，并通過源跟隨器放大輸出；最后進入“讀出狀態”，這時行選通管打開，信號通過列總線輸出。
光柵型APS
光柵型APS是由美國噴氣推進實驗室（JPL）首先推出的。其中感光結構由光柵PG 和傳輸門TX構成。光柵輸出端為漂移擴散端，它與光柵PG被傳輸門TX隔開。像素單元還包括一個復位晶體管，一個源跟隨器和一個行選通晶體管。當光照射在像素單元時，在光柵PG處產生電荷；與此同時，復位管打開，對勢阱復位；然后復位管關閉，行選通管打開，復位后的電信號由此通路被讀出并暫存起來，之后傳輸門TX打開，光照產生的電信號通過勢阱并被讀出，前后兩次的信號差就是真正的圖像信號。
對數響應型CMOS-APS
對數響應型CMOS-APS擁有很高的動態范圍。它由光敏二極管、負載管、源跟隨器和行選通管組成，負載管柵極是一恒定偏置電壓（不一定要是電源電壓），該像素單元輸出信號與入射光信號成對數關系，它的工作特點是光線被連續地轉化為信號電壓，而不像一般APS那樣存在復位和積分過程。但是，對數響應型CMOS-APS的一個致命缺陷就是對器件參數相當敏感，特別是閾值電壓。
聚苯硫醚和APS都是在像素外進行模/數（A/D）轉換的，而DPS將模/數（A/D）轉換集成在每一個像素單元里，每一個像素單元輸出的是數字信號，工作速度更快，功耗更低。
技術參數
應用參數
DYNAMAX-11
DYNAMAX-11：潘納維申影像這顆新的傳感器含有的全局電子曝光快門技術，極大地改善了工業成像在室內和室外的應用。這顆新發布的DYNAMAX-11圖像傳感器適合用于機器視覺、安防監控、智能交通、生命科學、生物醫療、科學影像、高清錄像、電視廣播等工業成像領域。這顆新發布的DYNAMAX-11圖像傳感器含有320萬像素，像素大小為5.0m×5.0m。
DYNAMAX-11特點如下：
1：高靈敏度，低噪聲。DYNAMAX-11在卷簾曝光的模式下，可以實現小于4electronsrms噪聲，在全局曝光的模式下，可以實現小于8electronsrms噪聲。
2：寬的光譜響應范圍，覆蓋從可見光到紅外。
3：DYNAMAX-11具有快速的輸出能力，可以達到全尺寸3.2M輸出時，60幀/秒，和HDTV1920*1080輸出時，72幀/秒的輸出速度。
4：高動態模式下的動態范圍可達120分貝。
DYNAMAX-11采用了CLCC封裝，非常便于客戶的安裝焊接和結構設計。DYNAMAX-11適合3/4英寸的光學尺寸。同時，DYNAMAX-11對應高清電視格式要求(HDTV,1080i,16:9)，也設計了感興趣區域的2/3英寸的200萬像素光學格式（對角線11毫米）。
DYNAMAX-11彩色和黑白兩種芯片的樣片正提供給PVI的客戶。
影響因素
噪聲
這是影響CMOS傳感器性能的首要問題。這種噪聲包括固定圖形噪聲FPN(Fixedpatternnoise)、暗電流噪聲、熱噪聲等。固定圖形噪聲產生的原因是一束同樣的光照射到兩個不同的象素上產生的輸出信號不完全相同。噪聲正是這樣被引入的。對付固定圖形噪聲可以應用雙采樣或相關雙采樣技術。具體地說來有點像在設計模擬放大器時引入差分對來抑制共模噪聲。雙采樣是先讀出光照產生的電荷積分信號，暫存然后對象素單元進行復位，再讀取此象素單元的輸出信號。兩者相減得出圖像信號。兩種采樣均能有效抑制固定圖形噪聲。另外，相關雙采樣需要臨時存儲單元，隨著象素地增加，存儲單元也要增加。
暗電流
物理器件不可能是理想的，如同亞閾值效應一樣，由于雜質、受熱等其他原因的影響，即使沒有光照射到象素，象素單元也會產生電荷，這些電荷產生了暗電流。暗電流與光照產生的電荷很難進行區分。暗電流在像素陣列各處也不完全相同，它會導致固定圖形噪聲。對于含有積分功能的像素單元來說，暗電流所造成的固定圖形噪聲與積分時間成正比。暗電流的產生也是一個隨機過程，它是霰彈噪聲的一個來源。因此，熱噪聲元件所產生的暗電流大小等于像素單元中的暗電流電子數的平方根。當長時間的積分單元被采用時，這種類型的噪聲就變成了影響圖像信號質量的主要因素，對于昏暗物體，長時間的積分是必要的，并且像素單元電容容量是有限的，于是暗電流電子的積累限制了積分的最長時間。
為減少暗電流對圖像信號的影響，首先可以采取降溫手段。但是，僅對芯片降溫是遠遠不夠的，由暗電流產生的固定圖形噪聲不能完全通過雙采樣克服。采用的有效的方法是從已獲得的圖像信號中減去參考暗電流信號。
象素的飽和與溢出模糊
類似于放大器由于線性區的范圍有限而存在一個輸入上限，對于CMOS圖像傳感芯片來說，它也有一個輸入的上限。輸入光信號若超過此上限，像素單元將飽和而不能進行光電轉換。對于含有積分功能的像素單元來說，此上限由光電子積分單元的容量大小決定：對于不含積分功能的像素單元，該上限由流過光電二極管或三極管的最大電流決定。在輸入光信號飽和時，溢出模糊就發生了。溢出模糊是由于像素單元的光電子飽和進而流出到鄰近的像素單元上。溢出模糊反映到圖像上就是一片特別亮的區域。這有些類似于照片上的曝光過度。溢出模糊可通過在像素單元內加入自動泄放管來克服，泄放管可以有效地將過剩電荷排出。但是，這只是限制了溢出，卻不能使像素能真實還原出圖像了。
CMOS優點
1、隨機窗口讀取操作是cmos圖像傳感器在功能上優于CCD的一個方面，也稱之為感興趣區域選取。此外，CMOS圖像傳感器的高集成特性使其很容易實現同時開多個跟蹤窗口的功能。2、抗輻射能力。概括地說CMOS圖像傳感器潛在的抗輻射性能相對于CCD性能有重要增強。3、系統復雜程度和可靠性。采用CMOS圖像傳感器可以大大地簡化系統硬件結構。4、非破壞性數據讀出方式。5、優化的曝光控制。值得注意的是，由于在像元結構中集成了多個功能晶體管的原因，CMOS圖像傳感器也存在著若干缺點，主要是噪聲和填充率兩個指標。鑒于CMOS圖像傳感器相對優越的性能，使得CMOS圖像傳感器在各個領域得到了廣泛的應用。
發展趨勢
先進的工藝技術是主要競爭要素
CIS市場核心競爭要素在于先進的工藝技術和成本的降低。隨著CIS市場的不斷擴大，各廠商之間的競爭也將不斷升溫。在技術進展方面，領頭公司不斷透過技術研發拉大與后方追兵的技術差距。尤其是高端智能手機對技術的需求也是越來越高，先進的工藝技術正是解決圖像問題的關鍵。
智能手機依然將是CMOS圖像傳感器最大市場
雖然手機市場增量有限，但是由于智能手機市場體量較大，未來依然將是CMOS圖像傳感器最大市場。競爭格局方面，手機CMOS圖像傳感器長期被三大廠商占有，由于CMOS圖像傳感器芯片設計技術壁壘較高，大廠有較多的技術積累，其他中小廠商很難與頭部廠商競爭，索尼將依然是高端攝像頭傳感器的生產廠商，三星電子則與自己的手機產品深度綁定，韋爾股份憑借子公司豪威科技的技術優勢，在國內將開拓出更多的市場。
應用領域
數碼相機
人們使用膠卷照相機已經上百年了，20世紀80年代以來，人們利用高新技術，發展了不用膠卷的CCD數碼相機。使傳統的膠卷照相機產生了根本的變化。電可寫可控的廉價flashrom的出現，以及低功耗、低價位的CMOS攝像頭的問世。為數碼相機打開了新的局面，數碼相機功能框圖如右下圖所示。
數碼相機的內部裝置已經和傳統照相機完全不同了，彩色CMOS攝像頭在電子快門的控制下，攝取一幅照片存于DRAM中，然后再轉至FLASHROM中存放起來。根據FLASHROM的容量和圖像數據的壓縮水平，可以決定能存照片的張數。如果將ROM換成PCMCIA卡，就可以通過換卡，擴大數碼相機的容量，這就像更換膠卷一樣，將數碼相機的數字圖像信息轉存至PC機的HDD中存貯，這就大大方便了照片的存貯、檢索、處理、編輯和傳送。
CMOS數字攝像機
美國OmniVison公司推出的由OV7610型CMOS彩色數字圖像芯片和OV511型高級攝像機以及USB接口芯片所組成的USB攝像機，其分辨率高達640x480,適用于通過USB傳輸的視頻系統。OV511型高級攝像機的推出，可使得PC機能以更加實時的方法獲取大量視頻信息，其壓縮芯片的壓縮比可以達到7:1,從而保證了圖像傳感器到PC機的快速圖像傳輸。對于CIF圖像格式，OV511型可支持高達30幀/秒的傳輸速率、減少了低帶寬應用中通常會出現的圖像跳動現象。OV511型作為高性能的USB接口的控制器，它具有足夠的靈活性，適合包括視頻會議、視頻電子郵件、計算機多媒體和保安監控等場合應用。
其他領域應用
CMOS圖像傳感器是一種多功能傳感器，由于它兼具CCD圖像傳感器的性能，因此可進入CCD的應用領域，但它又有自己獨特的優點，所以開拓了許多新的應用領域。除了上述介紹的主要應用之外，CMOS圖像傳感器還可應用于數字靜態攝像機和醫用小型攝像機等。例如，心臟外科醫生可以在患者胸部安裝一個小“硅眼”,以便在手術后監視手術效果，CCD就很難實現這種應用。
應用于X光機市場
在牙科用X光機市場上，用于從口腔內側給1～2顆牙拍攝X光片的小型CMOS傳感器在歐洲已達到實用水平，在美國也在推廣。而在從口腔外側拍攝全景X光片的X光機領域，今后仍將以CCD傳感器為主。
CMOS圖像傳感器在空間技術中的應用
遙感成像
目前對地觀察衛星的主要遙感成像技術中，紅外遙感技術設備復雜、昂貴。微波輻射計通常僅適用于大范圍（ 如局部海域、沙漠或地質結構） 的低分辨率數據采集工具。雷達系統重量較大，系統復雜，需要較大的功率、數據傳輸速率和存儲能力。同時，這幾種設備目前還存在難以實現微型化等問題。 在目前，對于重量小于10kg 的納型衛星來說，光成像技術（以可見光為主）將是納型衛星完成對地觀察任務的主要手段。而在可見光系統中，其電 子光學系統中廣泛使用固體成像器件（ 如CCD） 進行遙感成像。CMOS成像器件由于其本身優點，在微納衛星上具有廣泛應用前景。目前，在遙感成像領域，CMOS 圖像傳感器的應用 還處于起步階，這與高分辨率高性能CMOS APS 產品相對較少且技術有待進一步成熟有關，也因為該器件應用于空間的技術還未發展和成熟起來，需要進一 步考察其對太空環境的適應能力。
太陽敏感器
衛星的微小化要求其組成模塊的微型化，要求對現有衛星組成模塊進行重新設計，大幅度減小其重量、 體積和功耗，使其滿足新的要求。作為星上使用最廣泛的一類姿態敏感器、太陽敏感器也須進行微小化。 ME MS技術的發展和相關技術的應用，為滿足微納衛星對衛星姿態敏感器件的更高要求提供了前提和途徑，使微小衛星技術人員設計出新概念的高精度太陽敏感器件成為可能。隨著CMOS APS技術的發展與成熟，各方面性能 正在逐漸達到并超過CCD，使得基于APS 的太陽敏感 器代替CCD太陽敏感器用于微納衛星成為可能。相 對于CCD，APS 具有的各種優點，使其比CCD 更適 應用在微納衛星上。由于數字編碼式太陽敏感器的幾何分辨率主要由傳感器像素尺寸決定，而 CMOS APS的像素尺寸可以做到遠小于 CCD，使得基于 CMOS APS的太陽敏感器分辨率能得到提高。
星敏感器
星敏感器通過敏感恒星的輻射亮度來確定航天器基準軸相對已知恒星視線之間的夾角。由于衛星對恒星的張角極小，故星敏感器是姿態敏感器中測量精度最高（ 可達秒級）的一類敏感器。目前采用CCD探測器的星敏感器技術已經成熟，其精度高、穩定性好、可靠性高，并且測量可以完全自主進行。CMOS星敏感器可在保持其低功耗、操作簡便、動態響應范圍大等優點的同時獲得與基于CCD的星敏感器相近的性能，在信噪比、恒星定位精度、亞像 素精度確定、光靈敏度、動態范圍等方面都可以獲得等于甚至優于CCD 的性能。
總結
目前，在實現小像素尺寸方面，CMOS 圖像傳感器 取得了快速的進步，已有小于5μm單元尺寸的報道。 當采用0.25μm 特征尺寸的工藝技術時，能生產出更高性能的CMOS圖像傳感器，CMOS APS技術已經并 將得到進一步成熟。當前應該進行其在空間中的應用技術研究，為其在微納衛星中的應用做好準備，以實現納型衛星對地高分辨率遙感功能，并為微納型衛星提供替換模擬式太陽敏感器或CCD太陽敏感器的低功耗、高集成度、高精度，并且操作簡單可靠的新型姿態敏感器件。
參考資料 >
CCD/CMOS圖像傳感器基礎與應用.豆瓣讀書.2023-10-03
CMOS圖像傳感器集成電路.豆瓣讀書.2023-10-03
CMOS圖像傳感器研究.中國知網.2023-10-03
cmos圖像傳感器市場應用趨勢及工作原理解析-深度剖析cmos圖像傳感器-KIA MOS管.深圳可易亞半導體官網.2023-10-02
CMOS圖像傳感器科普.騰訊網.2023-10-11
CMOS圖像傳感器的研究進展.光學期刊網.2023-10-03
2023年全球及中國CMOS圖像傳感器行業現狀及競爭格局分析，智能手機依然將是CMOS圖像傳感器最大市場「圖」.華經情報網.2023-10-03
圖像傳感器應用技術.豆瓣讀書.2023-10-03
CMOS圖像傳感器在空間技術中的應用.知網空間.2023-10-03