Understanding CMOS Image Sensor(一)

1 CMOS Sensor 原理

1.1 简介

CMOS 是英文Complementary Metal Oxide Semicondutor 的缩写，这是一种主流的半导体工艺，具有功耗低、速度快的优点，被广泛地用于制造CPU、存储器和各种数字逻辑芯片。基于CMOS 工艺设计的图像传感器叫做CMOS Image Sensor (CIS)，与通用的半导体工艺尤其是存储器工艺相似度达到90%以上。

CMOS技术的主要特点是成对地使用PMOS和NMOS两种晶体管，PMOS负责拉高，NMOS负责拉低，两者配合可以实现数字信号的快速切换，这就是Complementary的具体含义。下图以最基本的反相器为例说明了CMOS技术的基本原理。

CMOS 技术基础 – 反相器

传统的 CMOS 数字电路使用0和1两种逻辑电压控制晶体管的Gate从而控制晶体管的电流流动，CMOS sensor 则是让光子直接进入晶体管内部生成电流，光信号的强弱直接决定了电流的大小。这是CMOS sensor与CMOS 数字逻辑的主要区别之处。

CMOS sensor 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。这几部分功能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，如下所示。

英文中的camera 实际上包含了两类产品，一种是以拍摄静态图片为主的digital still camera，中文叫做相机，比如各种单反相机和微单类产品。

另一类是以拍摄连续视频为主的video camera，中文叫做摄像机，比如各种安防监控摄像头（video surveillance camera/CCTV security camera），运动DV，家用camcorder，以及录制影视节目用的电影摄像机（cinema camera）。

security camera

机器视觉(machine vision) camera

UAV camera

camcorder

cinema camera

用于手机的camera则有一点特别，拍照和拍视频两种功能使用都比较频繁。

行车记录仪和流媒体后视镜属于车载camera产品，也是近年来增长比较快的市场。

在所有这些camera 产品中，CMOS sensor 是当之无愧的核心元件，它位于镜头和图像信号处理器（ISP）之间，把光信号转换成ISP能够处理的数字信号（电信号）。CMOS sensor 与镜头、ISP一起构成了camera 的灵魂，决定了camera 的核心价值。

当人们选购camera产品时，可能第一关注的就是分辨率指标，这个指标也是很多普通消费者唯一能够理解的技术指标。比如某手机支持1200万像素摄像头，它背后的意义是该手机可能使用SONY IMX378 sensor，该sensor在抓拍静态照片时输出分辨率为4056×3040的完整尺寸图像，而拍照之前的预览视频则一般默认是1920×1080的FHD高清图像。

有些眼尖的读者已经注意到这个问题了，为什么抓拍和预览时图像分辨率会不同？原因并不复杂，第一是省电，处理1200万像素的预览视频消耗的能量基本上是200万像素的6倍，手机的电量会迅速耗光；第二是成本，能够处理1200万像素预览视频的ISP复杂度更高，芯片面积更大，价格也更贵。第三是没有必要，因为手机屏幕的主流才刚刚达到200万像素，更高的分辨率没有实际意义。基于以上原因，手机在抓拍和预览时需要进行模式切换，而每次切换模式需要为sensor和ISP重新配置大量的寄存器参数，一般会有2万个左右，所以在切换瞬间预览视频会短暂黑屏，而实际抓拍到的图像与预览图像会存在一个明显的时间延迟。这个延迟会给用户造成不少困扰，比如会使家长们在抓拍小孩的表情时遇到一定的技术困难，会错过很多生活中的精彩瞬间。

在印刷行业中，描述一幅图像的质量通常会使用“像素密度”的概念，一种常用的定义是PPI(pixel per inch)或DPI(dot per inch)，即每英寸长度上（1in=25.4mm）打印多少个像素点。Photoshop软件中默认的标准像素密度是72dpi，高质量标准是300dpi。

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