CMOS图像传感器是一种典型的固体成像传感器，与CCD有着共同的历史渊源。CMOS图像传感器通常由像敏单元阵列、行驱动器、列驱动器、时序控制逻辑、AD反激式变压器、数据总线输出接口、控制接口等几部分组成，这几部分通常都被集成在同一块晶圆上。其工作过程一般可分为复位、光电转换、积分、读出几部分。
1963年Morrison发表了可计算传感器，这是一种可以利用光导效应测定光斑位置的结构，成为CMOS图像传感器发展的开端。在CMOS图像传感器芯片上还可以集成其他数字信号处理电路，如AD转换器、自动曝光量控制、非均匀补偿、白平衡处理、黑电平控制、伽玛校正等，为了进行快速计算甚至可以将具有可编程功能的DSP器件与CMOS器件集成在一起，从而组成单片数字相机及图像处理系统。
发展历史
1873年，科学家约瑟·美(Joseph May)及伟洛比·史密夫(WilloughbySmith)就发现了元素结晶体感光后能产生电流，由此，电子影像发展开始，随着技术演进，图像传感器性能逐步提升。
20世纪50年代，光学倍增管(Photo 乘法器 Tube，简称PMT)出现。1963年Morrison发表了可计算传感器，这是一种可以利用光导效应测定光斑位置的结构，成为CMOS图像传感器发展的开端。1965年至1970年，IBM、Fairchild等企业开发光电以及双极二极管阵列。1970年，CCD图像传感器在Bell实验室发明，依靠其高量子效率、高灵敏度、低暗电流、高一致性、低噪音等性能，成为图像传感器市场的主导。1995年低噪声的CMOS有源像素传感器单片数字相机获得成功，正式步入CMOS时代。
组成与原理
AD转换器
首先，外界光照射像素阵列，发生光电导效应，在像素单元内产生相应的电荷。行选择逻辑单元根据需要，选择相应的行像素单元。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。为了使芯片中各部分电路按规定的节拍动作，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。从某一方面来说，cmos图像传感器在每个像素位置内都有一个放大器，这就使其能在很低的带宽情况下把离散的电荷信号包转换成电压输出，而且也仅需要在帧速率下进行重置。cmos图像传感器的优点之一就是它具有低的带宽，并增加了信噪比。由于制造工艺的限制，早先的CMOS图像传感器无法将放大器放在像素位置以内。这种被称为PPS的技术，噪声性能很不理想，而且还引来对cmos图像传感器的种种干扰。
从某一方面来说，cmos图像传感器在每个像素位置内都有一个放大器，这就使其能在很低的带宽情况下把离散的电荷信号包转换成电压输出，而且也仅需要在帧速率下进行重置。cmos图像传感器的优点之一就是它具有低的带宽，并增加了信噪比。由于制造工艺的限制，早先的CMOS图像传感器无法将放大器放在像素位置以内。这种被称为PPS的技术，噪声性能很不理想，而且还引来对cmos图像传感器的种种干扰。
随着制作工艺的提高，使在像素内部增加复杂功能的想法成为可能。现在，在像素位置以内已经能增加诸如电子开关、互阻抗放大器和用来降低固定图形噪声的相关双采样保持电路以及消除噪声等多种附加功能。
因为电荷被限制在像素以内，所以CMOS图像传感器的另一个固有的优点就是它的防光晕特性。在像素位置内产生的电压先是被切换到一个纵列的缓冲区内，然后再被传输到输出放大器中，因此不会发生传输过程中的电荷损耗以及随后产生的光晕现象。它的不利因素是每个像素中放大器的阈值电压都有细小的差别，这种不均匀性就会引起固定图像噪声。然而，随着CMOS图像传感器的结构设计和制造工艺的不断改进，这种效应已经得到显著弱化。
CMOS图像传感器结构类型
CCD型和CMOS型固态图像传感器在光检测方面都利用了硅的光电导效应原理，不同点在于像素光生电荷的读出方式。典型的CMOS像素阵列，是一个二维可编址传感器阵列。传感器的每一列与一个位线相连，行允许线允许所选择的行内每一个敏感单元输出信号送入它所对应的位线上，位线末端是多路选择器，按照各列独立的列编址进行选择。根据像素的不同结构，cmos图像传感器可以分为无源像素被动式传感器（PPS）和有源像素主动式传感器（APS）。根据光生电荷的不同产生方式APS又分为光敏二极管型、光栅型和对数响应型，现在又提出了DPS(digital pixel sensor)概念。
无源像素被动式传感器
PPS出现得最早，结构也最简单，使得cmos图像传感器走向实用化，其结构原理如图2所示。无源像素具有单元结构简单、寻址简单、填充系数高、量子效率高等优点，但它灵敏度低、读出噪声大。因此PPS不利于向大型阵列发展，所以限制了应用，很快被APS代替。
光敏二极管像素单元
光敏二极管像素单元是由光敏二极管，复位管，源跟随和行选通开关管组成。APS比聚苯硫醚具有低读出噪声和高读出速率等优点，但像素单元结构复杂，填充系数降低，填充系数一般只有20%到30%。它的工作过程是：首先进入“复位状态”，复位管打开，对光敏二极管复位；然后进入“取样状态”，复位管关闭，光照射到光敏二极管上产生光生载流子，并通过源跟随器放大输出；最后进入“读出状态”，这时行选通管打开，信号通过列总线输出。
光栅型APS
光栅型APS是由美国喷气推进实验室（JPL）首先推出的。其中感光结构由光栅PG 和传输门TX构成。光栅输出端为漂移扩散端，它与光栅PG被传输门TX隔开。像素单元还包括一个复位晶体管，一个源跟随器和一个行选通晶体管。当光照射在像素单元时，在光栅PG处产生电荷；与此同时，复位管打开，对势阱复位；然后复位管关闭，行选通管打开，复位后的电信号由此通路被读出并暂存起来，之后传输门TX打开，光照产生的电信号通过势阱并被读出，前后两次的信号差就是真正的图像信号。
对数响应型CMOS-APS
对数响应型CMOS-APS拥有很高的动态范围。它由光敏二极管、负载管、源跟随器和行选通管组成，负载管栅极是一恒定偏置电压（不一定要是电源电压），该像素单元输出信号与入射光信号成对数关系，它的工作特点是光线被连续地转化为信号电压，而不像一般APS那样存在复位和积分过程。但是，对数响应型CMOS-APS的一个致命缺陷就是对器件参数相当敏感，特别是阈值电压。
聚苯硫醚和APS都是在像素外进行模/数（A/D）转换的，而DPS将模/数（A/D）转换集成在每一个像素单元里，每一个像素单元输出的是数字信号，工作速度更快，功耗更低。
技术参数
应用参数
DYNAMAX-11
DYNAMAX-11：潘纳维申影像这颗新的传感器含有的全局电子曝光快门技术，极大地改善了工业成像在室内和室外的应用。这颗新发布的DYNAMAX-11图像传感器适合用于机器视觉、安防监控、智能交通、生命科学、生物医疗、科学影像、高清录像、电视广播等工业成像领域。这颗新发布的DYNAMAX-11图像传感器含有320万像素，像素大小为5.0m×5.0m。
DYNAMAX-11特点如下：
1：高灵敏度，低噪声。DYNAMAX-11在卷帘曝光的模式下，可以实现小于4electronsrms噪声，在全局曝光的模式下，可以实现小于8electronsrms噪声。
2：宽的光谱响应范围，覆盖从可见光到红外。
3：DYNAMAX-11具有快速的输出能力，可以达到全尺寸3.2M输出时，60帧/秒，和HDTV1920*1080输出时，72帧/秒的输出速度。
4：高动态模式下的动态范围可达120分贝。
DYNAMAX-11采用了CLCC封装，非常便于客户的安装焊接和结构设计。DYNAMAX-11适合3/4英寸的光学尺寸。同时，DYNAMAX-11对应高清电视格式要求(HDTV,1080i,16:9)，也设计了感兴趣区域的2/3英寸的200万像素光学格式（对角线11毫米）。
DYNAMAX-11彩色和黑白两种芯片的样片正提供给PVI的客户。
影响因素
噪声
这是影响CMOS传感器性能的首要问题。这种噪声包括固定图形噪声FPN(Fixedpatternnoise)、暗电流噪声、热噪声等。固定图形噪声产生的原因是一束同样的光照射到两个不同的象素上产生的输出信号不完全相同。噪声正是这样被引入的。对付固定图形噪声可以应用双采样或相关双采样技术。具体地说来有点像在设计模拟放大器时引入差分对来抑制共模噪声。双采样是先读出光照产生的电荷积分信号，暂存然后对象素单元进行复位，再读取此象素单元的输出信号。两者相减得出图像信号。两种采样均能有效抑制固定图形噪声。另外，相关双采样需要临时存储单元，随着象素地增加，存储单元也要增加。
暗电流
物理器件不可能是理想的，如同亚阈值效应一样，由于杂质、受热等其他原因的影响，即使没有光照射到象素，象素单元也会产生电荷，这些电荷产生了暗电流。暗电流与光照产生的电荷很难进行区分。暗电流在像素阵列各处也不完全相同，它会导致固定图形噪声。对于含有积分功能的像素单元来说，暗电流所造成的固定图形噪声与积分时间成正比。暗电流的产生也是一个随机过程，它是霰弹噪声的一个来源。因此，热噪声元件所产生的暗电流大小等于像素单元中的暗电流电子数的平方根。当长时间的积分单元被采用时，这种类型的噪声就变成了影响图像信号质量的主要因素，对于昏暗物体，长时间的积分是必要的，并且像素单元电容容量是有限的，于是暗电流电子的积累限制了积分的最长时间。
为减少暗电流对图像信号的影响，首先可以采取降温手段。但是，仅对芯片降温是远远不够的，由暗电流产生的固定图形噪声不能完全通过双采样克服。采用的有效的方法是从已获得的图像信号中减去参考暗电流信号。
象素的饱和与溢出模糊
类似于放大器由于线性区的范围有限而存在一个输入上限，对于CMOS图像传感芯片来说，它也有一个输入的上限。输入光信号若超过此上限，像素单元将饱和而不能进行光电转换。对于含有积分功能的像素单元来说，此上限由光电子积分单元的容量大小决定：对于不含积分功能的像素单元，该上限由流过光电二极管或三极管的最大电流决定。在输入光信号饱和时，溢出模糊就发生了。溢出模糊是由于像素单元的光电子饱和进而流出到邻近的像素单元上。溢出模糊反映到图像上就是一片特别亮的区域。这有些类似于照片上的曝光过度。溢出模糊可通过在像素单元内加入自动泄放管来克服，泄放管可以有效地将过剩电荷排出。但是，这只是限制了溢出，却不能使象素能真实还原出图像了。
CMOS优点
1、随机窗口读取操作是cmos图像传感器在功能上优于CCD的一个方面，也称之为感兴趣区域选取。此外，CMOS图像传感器的高集成特性使其很容易实现同时开多个跟踪窗口的功能。2、抗辐射能力。概括地说CMOS图像传感器潜在的抗辐射性能相对于CCD性能有重要增强。3、系统复杂程度和可靠性。采用CMOS图像传感器可以大大地简化系统硬件结构。4、非破坏性数据读出方式。5、优化的曝光控制。值得注意的是，由于在像元结构中集成了多个功能晶体管的原因，CMOS图像传感器也存在着若干缺点，主要是噪声和填充率两个指标。鉴于CMOS图像传感器相对优越的性能，使得CMOS图像传感器在各个领域得到了广泛的应用。
发展趋势
先进的工艺技术是主要竞争要素
CIS市场核心竞争要素在于先进的工艺技术和成本的降低。随着CIS市场的不断扩大，各厂商之间的竞争也将不断升温。在技术进展方面，领头公司不断透过技术研发拉大与后方追兵的技术差距。尤其是高端智能手机对技术的需求也是越来越高，先进的工艺技术正是解决图像问题的关键。
智能手机依然将是CMOS图像传感器最大市场
虽然手机市场增量有限，但是由于智能手机市场体量较大，未来依然将是CMOS图像传感器最大市场。竞争格局方面，手机CMOS图像传感器长期被三大厂商占有，由于CMOS图像传感器芯片设计技术壁垒较高，大厂有较多的技术积累，其他中小厂商很难与头部厂商竞争，索尼将依然是高端摄像头传感器的生产厂商，三星电子则与自己的手机产品深度绑定，韦尔股份凭借子公司豪威科技的技术优势，在国内将开拓出更多的市场。
应用领域
数码相机
人们使用胶卷照相机已经上百年了，20世纪80年代以来，人们利用高新技术，发展了不用胶卷的CCD数码相机。使传统的胶卷照相机产生了根本的变化。电可写可控的廉价flashrom的出现，以及低功耗、低价位的CMOS摄像头的问世。为数码相机打开了新的局面，数码相机功能框图如右下图所示。
数码相机的内部装置已经和传统照相机完全不同了，彩色CMOS摄像头在电子快门的控制下，摄取一幅照片存于DRAM中，然后再转至FLASHROM中存放起来。根据FLASHROM的容量和图像数据的压缩水平，可以决定能存照片的张数。如果将ROM换成PCMCIA卡，就可以通过换卡，扩大数码相机的容量，这就像更换胶卷一样，将数码相机的数字图像信息转存至PC机的HDD中存贮，这就大大方便了照片的存贮、检索、处理、编辑和传送。
CMOS数字摄像机
美国OmniVison公司推出的由OV7610型CMOS彩色数字图像芯片和OV511型高级摄像机以及USB接口芯片所组成的USB摄像机，其分辨率高达640x480,适用于通过USB传输的视频系统。OV511型高级摄像机的推出，可使得PC机能以更加实时的方法获取大量视频信息，其压缩芯片的压缩比可以达到7:1,从而保证了图像传感器到PC机的快速图像传输。对于CIF图像格式，OV511型可支持高达30帧/秒的传输速率、减少了低带宽应用中通常会出现的图像跳动现象。OV511型作为高性能的USB接口的控制器，它具有足够的灵活性，适合包括视频会议、视频电子邮件、计算机多媒体和保安监控等场合应用。
其他领域应用
CMOS图像传感器是一种多功能传感器，由于它兼具CCD图像传感器的性能，因此可进入CCD的应用领域，但它又有自己独特的优点，所以开拓了许多新的应用领域。除了上述介绍的主要应用之外，CMOS图像传感器还可应用于数字静态摄像机和医用小型摄像机等。例如，心脏外科医生可以在患者胸部安装一个小“硅眼”,以便在手术后监视手术效果，CCD就很难实现这种应用。
应用于X光机市场
在牙科用X光机市场上，用于从口腔内侧给1～2颗牙拍摄X光片的小型CMOS传感器在欧洲已达到实用水平，在美国也在推广。而在从口腔外侧拍摄全景X光片的X光机领域，今后仍将以CCD传感器为主。
CMOS图像传感器在空间技术中的应用
遥感成像
目前对地观察卫星的主要遥感成像技术中，红外遥感技术设备复杂、昂贵。微波辐射计通常仅适用于大范围（ 如局部海域、沙漠或地质结构） 的低分辨率数据采集工具。雷达系统重量较大，系统复杂，需要较大的功率、数据传输速率和存储能力。同时，这几种设备目前还存在难以实现微型化等问题。 在目前，对于重量小于10kg 的纳型卫星来说，光成像技术（以可见光为主）将是纳型卫星完成对地观察任务的主要手段。而在可见光系统中，其电 子光学系统中广泛使用固体成像器件（ 如CCD） 进行遥感成像。CMOS成像器件由于其本身优点，在微纳卫星上具有广泛应用前景。目前，在遥感成像领域，CMOS 图像传感器的应用 还处于起步阶，这与高分辨率高性能CMOS APS 产品相对较少且技术有待进一步成熟有关，也因为该器件应用于空间的技术还未发展和成熟起来，需要进一 步考察其对太空环境的适应能力。
太阳敏感器
卫星的微小化要求其组成模块的微型化，要求对现有卫星组成模块进行重新设计，大幅度减小其重量、 体积和功耗，使其满足新的要求。作为星上使用最广泛的一类姿态敏感器、太阳敏感器也须进行微小化。 ME MS技术的发展和相关技术的应用，为满足微纳卫星对卫星姿态敏感器件的更高要求提供了前提和途径，使微小卫星技术人员设计出新概念的高精度太阳敏感器件成为可能。随着CMOS APS技术的发展与成熟，各方面性能 正在逐渐达到并超过CCD，使得基于APS 的太阳敏感 器代替CCD太阳敏感器用于微纳卫星成为可能。相 对于CCD，APS 具有的各种优点，使其比CCD 更适 应用在微纳卫星上。由于数字编码式太阳敏感器的几何分辨率主要由传感器像素尺寸决定，而 CMOS APS的像素尺寸可以做到远小于 CCD，使得基于 CMOS APS的太阳敏感器分辨率能得到提高。
星敏感器
星敏感器通过敏感恒星的辐射亮度来确定航天器基准轴相对已知恒星视线之间的夹角。由于卫星对恒星的张角极小，故星敏感器是姿态敏感器中测量精度最高（ 可达秒级）的一类敏感器。目前采用CCD探测器的星敏感器技术已经成熟，其精度高、稳定性好、可靠性高，并且测量可以完全自主进行。CMOS星敏感器可在保持其低功耗、操作简便、动态响应范围大等优点的同时获得与基于CCD的星敏感器相近的性能，在信噪比、恒星定位精度、亚像 素精度确定、光灵敏度、动态范围等方面都可以获得等于甚至优于CCD 的性能。
总结
目前，在实现小像素尺寸方面，CMOS 图像传感器 取得了快速的进步，已有小于5μm单元尺寸的报道。 当采用0.25μm 特征尺寸的工艺技术时，能生产出更高性能的CMOS图像传感器，CMOS APS技术已经并 将得到进一步成熟。当前应该进行其在空间中的应用技术研究，为其在微纳卫星中的应用做好准备，以实现纳型卫星对地高分辨率遥感功能，并为微纳型卫星提供替换模拟式太阳敏感器或CCD太阳敏感器的低功耗、高集成度、高精度，并且操作简单可靠的新型姿态敏感器件。
参考资料
CCD/CMOS图像传感器基础与应用.豆瓣读书.2023-10-03
CMOS图像传感器集成电路.豆瓣读书.2023-10-03
CMOS图像传感器研究.中国知网.2023-10-03
cmos图像传感器市场应用趋势及工作原理解析-深度剖析cmos图像传感器-KIA MOS管.深圳可易亚半导体官网.2023-10-02
CMOS图像传感器科普.腾讯网.2023-10-11
CMOS图像传感器的研究进展.光学期刊网.2023-10-03
2023年全球及中国CMOS图像传感器行业现状及竞争格局分析，智能手机依然将是CMOS图像传感器最大市场「图」.华经情报网.2023-10-03
图像传感器应用技术.豆瓣读书.2023-10-03
CMOS图像传感器在空间技术中的应用.知网空间.2023-10-03