CMOS图像传感器的测试及故障处理开题报告.doc

毕业设计（论文）开题报告课 题 名 称 ：CMOS图像传感器的测试及故障处理 学 院 ：信息科学与技术学院 专 业 ：电子信息工程 姓 名 ： 何忠伟 _ 学 号 ：070901013 指 导 教 师 ：李德敏 2011年 2 月 22 日CMOS图像传感器的测试及故障处理1、背景介绍自从上世纪60年代末期，美国贝尔实验室提出固态成像器件概念后，固体图像传感器便得到了迅速发展，成为传感技术中的一个重要分支，它是PC机多媒体不可缺少的外设，也是监控中的核心器件。互补金属氧化物半导体（CMOS）图像传感 器与电荷耦合器件（CCD）图像传感器的研究几乎是同时起步，但由于受当时工艺水平的限制，CMOS图像传感器图像质量差、分辨率低、噪声降不下来和光照灵敏度不够，因而没有得到重视和发展。而CCD器件因为有光照灵敏度高、噪音低、像素少等优点一直主宰着图像传感器市场。由于集成电路设计技术和工艺水平的提高，CMOS图像传感器过去存在的缺点，现在都可以找到办法克服，而且它固有的优点更是CCD器件所无法比拟的，因而它再次成为研究的热点。 70年代初CMOS传感器在NASA的Jet Propulsion Laboratory (JPL)制造成功，80年代末，英国爱丁堡大学成功试制出了世界第一块单片CMOS型 图像传感器件，1995年像元数为（128128）的高性能CMOS有源像素图像传感器由喷气推进实验室首先研制成功，1997年英国爱丁堡 VLSI Version公司首次实现了CMOS图像传感器的商品化，就在这一年，实用CMOS技术的特征尺寸已达到0.35mm，东芝研制成功了光敏二极管型APS，其像元尺寸为5.6mm5.6mm，具有彩色滤色膜和微透镜阵列，2000年日本东芝公司和美国斯坦福大学采用0.35mm技术开发的 CMOS-APS已成为开发超微型CMOS摄像机的主流产品。CMOS图像传感器在我们生活中运用已经越来越多，涉及了各个行业各种领域以及我们生活的每一个方面，既然我们运用这么多，那么CMOS图像传感器常见问题的检测与处理就显得越发重要，我将对这方面进行相关研究，希望能给我们带来一定的方便与收益。2、研究现状作为固体图像传感器的一大分支，CMOS图像器的研究起始于20世纪60年代末，由于当时受工艺技术的限制，直到90年代初才发展起来，至今已研制出三大类CMOS图像传感器，即CMOS无源像素传感器(CMOS-PPS)、CMOS有源像素传感器(CMOSAPS)和CMOS数字像素传感器(CMOS DPS)。在此基础上又问世了CMOS视觉传感器(CMOS Visual Sensor)、CMOS应力传感器(CMOS Stress Sensor)、CMOS对数极性传感器(Log-polar CMOS Sensor)、CMOS视网膜传感器(CMOS Retinal Sensor)、对数变换形CMOS图 像传感器(LogarithmicConverting CMOS Image Sensors)、轨对轨CMOS有源 像素传感器(Rail.to.Rail CMOS Active Pixel Sensor)、单斜率模式CMOS图像 传感器(Single Slope Mode CMOS Image Sensor)和CMOS指纹图像传感器 (CMOS Fingerprint Sensor)等。其中发展最快的是CMOS.PPS和CMOS.APS。 这两种类型的摄像器件已经进入商品化和实用阶段，但是对全面改善 CMOS.APS性能的工作还在深入进行。CMOS图像传感器能够快速发展，一是基于CMOS集成电路工艺技术的成熟，二是得益于固体图像传感器技术的研究成果。CMOS图像传感器是20世纪70年代在美国航空航天局(NASA)的喷气推进实验室(JPL)诞生的，同CCD图像传感器几乎是同时起步的。诞生之初由于其性能的不完善严重影响了图像质量，从而制约了它的发展和应用。在70年代和80年代，CCD在可见光成像方面取得了唱主角的地位。进入90年代，由于对小型化、低功耗和低成本成像系统消费需要的增加和芯片制造技术和信号处理技术的发展，为新一代低噪声、优质图像和高彩色还原度的CMOS传感器的开发铺平了道路，CMOS图像传感器逐渐成为固体图像传感器的研究和开发热点，CMOS传感器的性能也得到大幅度提高。目前研究开发CMOS图像传感器的国外机构很多，其中，以美国喷气推进实验室(JPL)空间微电子技术中心，光子视觉系统公司，美光，奥姆尼视觉公司、洛克威尔公司、比利时IMEC、柯达、贝尔实验室、Photobit公司、日本的东芝、夏普、惠普、富士、Pinkhill公司、VLST Vision公司的研究报道最多。高性能CMOSAPS由美国哥伦比亚大学电子工程系和喷气推进实验室(JPL)在1994年首次研制成功，像素数为128128，像素尺寸为40It m40p m，管芯尺寸为6.8ram6.8mm，采用1.2ll m CMOS 11阱工艺试制，动态范围为72dB，固定图形噪声小于0.15饱和信号水平。1997年日本东芝公司研制成功了640480像素光敏二极管型CMOS.APS，其像素尺寸为5.6It m5.6Il m，具有彩色滤色膜和微透镜阵列。2000年美国Foveon公司与美国国家半导体公司采用0.18It mCMOS工艺研制成功40964096像素CMOS.APS，像素尺寸为5ll m5 p m，管芯尺寸22mm X 22mm。这种图像传感器在分辨率和图像质量方面取得了重大突破，标志着CMOS图像传感器在分辨率和质量两方面的飞跃。当前国外研制开发的CMOS图像传感器主要应用于中、低分辨率领域。在低分辨率领域主要有Pinkhill公司生产的娱乐和玩具系列，VLSI Vision公司开发的用于儿童娱乐时即时拍照的新概念相机。另外中低档领域应用主要是数码相机，日本佳能公司开发成功了325万像素的CMOS图像传感器，并利用该芯片开发出EOS.D30型单反数码相机。韩国汉城国立大学电子工程学院集成系统实验室开发的264256像素CMOS图像传感器应用于中分辨率的指纹识别系统。2005年柯达公司推出了310万像素CMOS图像传感器KAC23100和500万像素CMOS图像传感器KAC25000。KAC23100是需要高分辨率和突出成像性能的手机应用的理想产品，而KAC25000则是针对数码照相机和数字视频应用进行设计的。2006年柯达公司推出了14英寸、130万像素RAW输出的图像传感器KAC201301，该款产品具有独特的夜视技术，提供高质量的图像输出。可以支持SXGA、XGA、SVGA、VGA、QVGA、CIF和QCIF的图像输出。2005年8月，豪威科技公司推出一款16英寸VGACMOS图像传感器OV7670。该器件采用新的光学格式，像素尺寸从4.2 It m减小至3.6 u m，有利于减小模块高度。2006年4月，推出其汽车Camera Chip家族中的最新产品OV7949。OV7949基于专有的传感架构，是一种新型高性能和高集成度的模拟CMOS图像传感器6。2006年5月，安华高科技宣布推出一款14英寸光学格式、200万像素的CMOS图像传感器ADCC24050。该传感器可使超薄型摄像手机具有自动变焦功能，每秒撷取高达30帧的高分辨率视频图像(800x 600像素)，同时可以输出与数码相机相同画质的图像。ADCC24050是少数能够轻松放入目前业内最小且最薄摄像模块(8mmX 8mm5ram)的200万像素传感器之一。2005年9月，赛普拉斯半导体公司宣布推出一系列14英寸光学格式的130万像素图像解决方案，用于直接替代可拍照移动电话中现有的14英寸VGA图像传感器与14英寸VGA片上系统(soc)图像传感器。其中CYIWOSCl300AAl30万像素图像传感器与CYrWCSCl300AAl30万像素SOC图像传感器是采用公司先进0.13 u m CMOS工艺、专为图像传感器生产的第一批可拍照手机图像传感器。韩国Magna Chip公司于2003年开始进入CMOS图像传感器市场，2005年收购了IC Media，同年12月，发布了一款手机专用的320万像素CMOS传感器MC532MA。为了在CMOS图像传感器技术领域占有一席之地，缩短与国际上发达国家之间的差距，国内一些知名大学和公司，如复旦大学、武汉大学、西安电子科技大学、国防科技大学、中国科学院微电子研究中心、深圳康达电子技术有限公司、方正科技信息产品有限公司、北京思比科微电子技术有限公司、北京恩威电子技术有限公司、格科微电子(上海)有限公司等均开展了CMOS图像传感器的设计、研制和应用开发等工作。北京大学和武汉喜玛拉雅数字成像有限公司共同研制成功了具有自主知识产权的30万像素CMOS数码机相，并已实现商品化。1999年西安交通大学开元微电子科技有限公司成功研制了369287、768574、640480、512512像素CMOS图像传感器，像素尺寸均为10.8 m10.8 m，功耗为150-200mW。并且用该器件开发出了MN型系列CMOS微型摄像机和可视电话。中国科学院成都光电技术研究所用CMOS-APS开发成功了微型星载敏感器成像系统。上海华虹集团和上海亚晨实验公司开发的CMOS图像处理器产品已投放市场。北京中星科技有限公司在推出30万-130万像素CMOS数码相机的基础上，2001年3月开发出具有国际一流水准的百万门级超大规模CMOS数码图像处理芯片“星光一号”。这是具有自主知识产权的百万门级大规模数码摄像芯片。2001年5月该芯片实现产业化并投入国际市场，为三星、飞利浦和富士通等国际知名品牌视频摄像头所采用。2002年5月22日中星科技有限公司的微型数码相机单芯片CMOS图像处理芯片列为北京市重大高新技术成果转化项目。2002年9月5日该公司又研制成功了我国第一枚具有世界领先水平的发声图像处理芯片“星光二号”。该芯片首次将音频和视频固化一体并同步工作。联想-海欧DC一350型数码相机采用35万像素CMOS图像传感器，640480的分辨率适合在电脑屏幕上欣赏所拍摄的生活照片及制作网页等。2005年3月格科微推出14英寸VGA图像传感器，具有尺寸小，功耗低，图像品质好，成本比较低等特点，能够广泛用于手机、掌上电脑、电脑摄像头、玩具等消费类电子领域。2005年4月，上海派视尔信息科技有限公司推出了全球首款带有自动调整聚焦(AF)的200万像素级P01200N。2006年3月，思比科微电子技术有限公司宣布其研发的200万像素CMOS摄像芯片，已经通过技术测试。该芯片基于上海中芯国际018微米工艺，从设计开发到芯片制造的全部工作均在国内完成，完全实现了国产化。近年来，中国台湾的许多公司发展较快，并已在国际市场占有一席之地。成立于1997年的台湾宜霖科技(Elec Vision Inc.)采用其非同步随机访问CMOS成像技术(Asynchronous Random-Access MOS Image Sensor)，推出176X 144、352288、352290、511492、644484像素黑白和彩色图像有源像素CMOS图像传感器。近期还将推出12801024像素CMOS图像传感器。台湾联华电子公司以0.35 u m工艺生产16641286像素、0.25 ll m生产17281296像素。3、课题研究内容1 各种光学、成像以及传感器常识的掌握2 CMOS图像传感器硬件和驱动理论知识的掌握3 CMOS图像传感器的测试研究4 CMOS图像传感器的故障处理4、技术路线1 CMOS图像传感器成像所用到的光学知识学习2 CMOS图像传感器硬件、驱动的学习3 对CMOS图像传感器的测试进行研究 4 对CMOS图像传感器的故障进行分析处理5、关键技术介绍5.1 光学常识色温（colour temperature）是表示光源光色的尺度，单位为K（开尔文）。色温是在摄影、录象、出版等领域具有重要应用。光源的色温是通过对比它的色彩和理论的热黑体辐射体来确定的。热黑体辐射体与光源的色彩相匹配时的开尔文温度就是那个光源的色温，它直接和普朗克黑体辐射定律相联系。亮度是指发光体（反光体）表面发光（反光）强弱的物理量。人眼从一个方向观察光源，在这个方向上的光强与人眼所“见到”的光源面积之比，定义为该光源单位的亮度，即单位投影面积上的发光强度。亮度的单位是坎德拉/平方米（cd/m2） 亮度是人对光的强度的感受。它是一个主观的量。与亮度不同的，由物理定义的客观的相应的量是光强。这两个量在一般的日常用语中往往被混淆。图像对比度指的是一幅图像中明暗区域最亮的白和最暗的黑之间不同亮度层级的测量，即指一幅图像灰度反差的大小。5.2 CMOS图像传感器图像传感器的像素结构目前主要有无源像素图像传感器（Passive Pixel Sensor，PPS）和有源像素图像传感器（Active Pixel Sensor，APS）两种，如图1所示。由于PPS信噪比低、成像质量差，所以目前绝大多数CMOS图像传感器采用的是APS结构。APS结构的像素内部包含一个有源器件。由于该放大器在像素内部具有放大和缓冲功能，具有良好的消噪功能，且电荷不需要像CCD器件那样经过远距离移位到达输出放大器，因此避免了所有与电荷转移有关的CCD器件的缺陷。图1 CMOS的两种像素结构由于每个放大器仅在读出期间被激发，所以将经光电转换后的信号在像素内放大，然后用XY地址方式读出，提高了固体图像传感器的灵敏度。APS像素单元有放大器，它不受电荷转移效率的限制，速度快，图像质量较PPS得到了明显地改善。但是与PPS相比，APS的像素尺寸较大、填充系数小，所设计的填充系数典型值为0.20.3。一个典型的CMOS图像传感器的总体结构如图2所示。在同一芯片上集成有模拟信号处理电路、I(2)C控制接口、曝光白平衡控制、视频时序产生电路、数字转换电路、行选择、列选择及放大和光敏单元阵列。芯片上的模拟信号处理电路主要执行相关双采样（CorrelatedDouble Sampling，CDS）功能。芯片上的AD转换器可以分为像素级、列级和芯片级几种情况，即每一个像素有一个AD转换器，每一个列像素有一个AD转换器，或者每一个感光阵列有一个AD转换器。由于受芯片尺寸的限制，所以像素级的AD转换器不易实现。CMOS片内部提供了一系列控制寄存器，通过总线编程（如Pc总线）来对自增益、自动曝光、白色平衡、校正等功能进行控制，编程简单、控制灵活。直接输出的数字图像信号可以很方便地与后续处理电路接口，供数字信号处理器对其进行处理。图2 CMOS芯片组成方框图6、要解决的技术问题6.1 CMOS图像传感器成像所用到的光学知识研究6.2 CMOS图像传感器硬件、驱动的学习研究6.3 进行CMOS图像传感器的测试6.4 进行CMOS图像传感器的故障处理 7、日程安排序号各阶段名称起止日期1查阅有关中外文资料2010年12月-2011年2月2开题汇报2月22日3学习技术原理2月-3月4中期汇报4月12日5进行CMOS图像传感器测试3月-4月6进行CMOS图像传感器故障处理4月-5月7撰写毕业论文5月8论文答辩6月2日8、参考文献1 王庆有图像传感器应用技术 北京：电子工业出版社，2003:1-3.2 Mcndis，SKcmeny S，ct a1progress in CMOS active pixel sensorsProceeding of SPIE 1994；2172:19-243 程开富 国内CMOS图像传感器的研制与开发现状 集成电路通讯，2005，23(2):7-114 何兆红，王高CMOS图像传感器的最新发展现状.光机电信息，2002，(12)：14-165 金湘亮，陈杰，仇玉林基于CMOS工艺的图像传感技术研究与进展半导体技术，2002，27(8):5-96 陈慧敏，栗平，张英文等CMOS图像传感器的研究新进展半导体光电，2006，27(6):664-6677 程开富CMOS图像传感器的技术进展及市场分析与预测国外电子元器件，2000,4:2-68 上海格科微推出1/4英寸VGACMO S图像传感器/ART_8800060952_2211.HTM33960ac3，2005-3309 北京思比科开发出200万像素CMOS摄像芯片.http:/www.eetchinacom/ART _8800409120_621496_aof91d93.HTM?f=RSS,2006-3-610 p.Fry, p.Noble, and R.Rycroft.Fixed Pattern Noise in Photomatrices.IEEEJournal of Solid-State Circuits,1970,SC-5:250-25411 B.Ackland and A.Dickinson. 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