CMOS图像传感器基本原理与应用简介

C CM MO OS S 图图像像传传感感器器基基本本原原理理与与应应用用简简介介 摘要 CMOS 图图像像传传感感器器基基本本原原理理与与应应用用 关键字 CMOS 图图像像传传感感器器 芯芯片片 工工作作原原理理 1 1 引引言言 图像传感器是将光信号转换为电信号的装置 在数字电视 可视通信市场中有 着广泛的应用 60 年代末期 美国贝尔实脸室发现电荷通过半导体势阱发生转移的 现象 提出了固态成像这一新概念和一维CCD Charge Coupled Device 电荷耦 合器件 模型器件 到 90 年代初 CCD 技术已比较成热 得到非常广泛的应用 但 是随着 CCD 应用范围的扩大 其缺点逐渐暴露出来 首先 CCD 技术芯片技术工 艺复杂 不能与标准工艺兼容 其次 CCD 技术芯片需要的电压功耗大 因此 CCD 技术芯片价格昂贵且使用不便 目前 最引人注目 最有发展潜力的是采用标准的C CM MO OS S Complementary Metal Oxide Semiconductor 互补金属氧化物场效应管 技术来生产图像传感器 即 CMOS图图像像传传感感器器 CMOS 图像传感器芯片采用了CMOS 工艺 可将图像采集单元 和信号处理单元集成到同一块芯芯片片上 由于具有上述特点 它适合大规模批量生产 适用于要求小尺寸 低价格 摄像质量无过高要求的应用 如保安用小型 微型相 机 手机 计算机网络视频会议系统 无线手持式视频会议系统 条形码扫描器 传真机 玩具 生物显微计数 某些车用摄像系统等大量商用领域 20 世纪 80 年代 英国爱丁堡大学成功地制造出了世界上第一块单片CMOS 图像传感器件 目前 CMOS 图像传感器正在得到广泛的应用 具有很强地市场竞争力和广阔地发展 前景 来源 大比特半导体器件网 2 2 C CM MO OS S 图图像像传传感感器器基基本本工工作作原原理理 首先 外界光照射像素阵列 发生光电效应 在像素单元内产生相应的电荷 行选择逻辑单元根据需要 选通相应的行像素单元 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 来源 大比特半导体器件网 3 3 象象素素阵阵列列工工作作原原理理 图像传感器一个直观的性能指标就是对图像的复现的能力 而象素阵列就是直 接关系到这一指标的关键的功能模块 按照像素阵列单元结构的不同 可以将像素 单元分为无源像素单元PPS passive pixel schematic 有源像素单元 APS active pixel schematic 和对数式像素单元 有源像素单元APS 又可分为 光敏二极管型 APS 光栅型 APS 来源 大比特半导体器件网 以上各种象素阵列单元各有特点 但是他们有着基本相同的工工作作原原理理 以下 先介绍它们基本的工作原理 再介绍各种象素单元的特点 下图是单个象素的示意 图 来源 大比特半导体器件网 1 首先进入 复位状态 此时打开门管 M 电容被充电至 V 二极管处于反 向状态 来源 大比特半导体器件网 2 然后进人 取样状态 这时关闭门管 M 在光照下二极管产生光电流 使电容上存贮的电荷放电 经过一个固定时间间隔后 电容C 上存留的电荷量就 与光照成正比例 这时就将一幅图像摄入到了敏感元件阵列之中了 3 最后进入 读出状态 这时再打开门管M 逐个读取各像素中电容C 上存贮的电荷电压 来源 大比特半导体器件网 无源像素单元 PPS 出现得最早 自出现以来结构没有多大变化 无源像素单元 PPS 结构简单 像素填充率高 量子效率比较高 但它有两个显着的缺点 一是 它 的读出噪声比较大 其典型值为20 个电子 而商业用的CCD 级技术芯片其读出 噪声典型值为 20 个电子 二 随着像素个数的增加 读出速率加快 于是读出噪 声变大 来源 大比特半导体器件网 光敏二极管型 APS 量子效率比较高 由于采用了新的消噪技术 输出图形信号 质量比以前有许多提高 读出噪声一般为75 100 个电子 此种结构的C3二是其芯片的结构可方便地与其它硅基元器件集成 从而可有效地降低整个系统的成本 尽管过去CMOS 图像传感器的图像质量比 CCD 差且分辨率低 然而经过迅速改进 已不断逼近CCD 的技术水平 目前这种 传感器件已广泛应用于对分辨率要求较低的数字相机 电子玩具 电视会议和保安 系统的摄像结构中 来源 大比特半导体器件网 日本 Nintendo 有限公司推出的采用CMOS 图像传感器的低分辨率数字相机 上市头两个月 销售量就达100 万台 三菱公司 摩托罗拉 惠普 东芝和 Intel 公司也紧接着上市该类产品 来源 大比特半导体器件网 6 6 C CM MO OS S 图图像像传传感感器器件件的的应应用用 6 6 1 1 数数码码相相机机 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FLASH ROM 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 从图中可以看出 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 FLASH ROM 中存放起来 根据FLASH ROM 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 机的硬盘 中存贮 这就大大方便了照片的存贮 检索 处理 编辑和传送 6 6 2 2 C CM MO OS S 数数字字摄摄像像机机 美国 Omni Vison 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640 x 480 适用于通过通用串行总线传输的视频系统 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 6 6 3 3 其其他他领领域域应应用用 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 CC