什么是CMOS

CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)是互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體。CMOS相機(jī)原理框圖如下：

CMOS相機(jī)主要組成部分是像敏單元陣列和MOS場(chǎng)效應(yīng)管集成電路，這兩部分是集成在同一塊硅片上。也就是是說，每個(gè)像素包括兩個(gè)部分：感光部分 – 像敏單元將光轉(zhuǎn)換成點(diǎn)信號(hào)，信號(hào)預(yù)處理部分 – MOS場(chǎng)效應(yīng)管。像素也是排成陣列，與CCD不同，每個(gè)像素都有其X、Y地址，并可分別由兩個(gè)方向的地址譯碼器進(jìn)行選擇；輸出信號(hào)送A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，變成數(shù)字信號(hào)輸出。

CMOS相機(jī)像素結(jié)構(gòu)

CMOS相機(jī)像素結(jié)構(gòu)主要有無源像素圖像傳感器（Passive Pixel Sensor, PPS）和有源像素圖像傳感器（Active Pixel Sensor, APS）兩種。下圖是示意圖

APS結(jié)構(gòu)像素的放大器具有放大和緩沖功能，光生電子信號(hào)在像素內(nèi)放大，然后用X-Y地址方式讀出。

光敏二極管可以是CCD相同的MOS電容結(jié)構(gòu)。

CMOS相機(jī)的像素信號(hào)是先放大-再讀出。

CCD相機(jī)和CMOS相機(jī)的比較

相同之處：

探測(cè)機(jī)理相同，都是利用光電效應(yīng)。

不同之處：

1.         CCD使用LSI（大規(guī)模集成電路）相差甚遠(yuǎn)的制造工藝，CMOS基于CMOS LSI制造工藝。

2.         CCD入射光產(chǎn)生的信號(hào)電荷未經(jīng)放大，利用CCD耦合機(jī)理轉(zhuǎn)移到輸出電路，在輸出電路放大信號(hào)；CMOS在像素內(nèi)就對(duì)入射光產(chǎn)生的信號(hào)電荷進(jìn)行了放大，再利用XY地址方式選擇讀出放大后的信號(hào) – 電壓或電流。CCD需要依次將像素電荷包向移位寄存器移動(dòng)，通過移位寄存器輸出信號(hào)，轉(zhuǎn)移費(fèi)時(shí)，而CMOS像素的信號(hào)直接讀出。相對(duì)而言，CMOS沒有CCD電荷包轉(zhuǎn)移過程引入的轉(zhuǎn)移噪聲。此外，CCD在電荷包轉(zhuǎn)移過程中，容易受到漏光的影響，CMOS直接讀出，轉(zhuǎn)移過程則不受漏光噪聲的影響；

3.         CCD相機(jī)按像素列（或行）排列順序讀出，而CMOS是X-Y地址選擇像素的方式讀出，易于控制；

4.         CCD像素結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，CMOS像素結(jié)構(gòu)復(fù)雜：包含光敏MOS、放大器、行選擇開關(guān)（場(chǎng)效應(yīng)管）等。

性能比較

由于CMOS靈敏度、分辨率、暗電流、信噪比不如CCD，科學(xué)級(jí)相機(jī)，特別是測(cè)弱光，主要還是CCD。

CCD和CMOS相機(jī)的局限性

CCD和CMOS的信號(hào)是一定時(shí)間間隔內(nèi)的光電效應(yīng)產(chǎn)生的電子數(shù)，是光生電子速率對(duì)時(shí)間的積分。而光生電子速率與光波長(zhǎng)和光子流率相關(guān)，兩束不同波長(zhǎng)的光，當(dāng)波長(zhǎng)和光子流率滿足一定的關(guān)系時(shí)，光生電子速率相同，因此CCD無法區(qū)分入射光波長(zhǎng)，也就是說CCD和CMOS沒有能量分辨能力。

我公司代理的另外一種探測(cè)器 – 混合光子計(jì)數(shù)器（Hybrid photon counter, HPC） – 就沒有這種局限，同時(shí)也能測(cè)量光子流率。

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