CMOS图像传感器的基本结构

1、CMOS图像传感器的基本结构2.11CMOS图像传感器的框图一个典型的CMOS图像传感器结构如图2.1所示。这个结构包括由有源像素传感器（APS）构成的像素阵列、垂直扫描电路、每一列像素共享的列读出通道和列选择开关、模拟图像信号放大器、模数转换器和图像数据输出等。控制器控制各个图像信息获取部件，进行所需要的曝光-读出同步操作。控制数据由垂宜扣描入射光子1帥外部通过串行数据输入端口输入，并存储在控制数据存储器中。列于I-关ColumnSwitch像素阵列PixelArray图憔数据输出ImayeDnlsOutput有源愎素传感器AclivePmelSenserAPS列进出通道ColunmRead

2、ouiVerticalScan图像悟号模數转撫Imagi?SignalADC控制数据存储CcnfrolDataMeinci电行數牆输入SerialEhitaInf)nt肢大器Amplifier控制器tkinlroller图2.1CMOS图像传感器结构框图CMOS图像传感器的像素为有源像素传感器APS，每个像素中有一个光电二极管作为基本的光电转换元件，如图2.1左上角的方框所示。在每个像素中还包括由若干个MOS晶体管有源器件组成的电路，把光子在光电二极管PN结上激发的载流子电荷信号转换成电压信号，并由模拟开关控制光电二极管的曝光操作和信号输出。在大多数阵列设计中，像素几何形状采取正方形，像素在阵

3、列中正交排列。像素阵列示意在图2.1框图的中央，水平排列的像素构成行(Row)，每行由M个像素组成，垂直方向的像素构成列(Column)，整个阵列由M列和N行像素构成，阵列的总像素数为MxN。像素阵列的主要操作就是曝光和读出，因为阵列中一般的曝光和读出是按行进行的，所以垂直扫描实际上就是实现按行操作阵列的曝光和读出。水平扫描操作实际上是当某一行执行读出时，顺序扫描读出这一行中的每个像素的信号，水平扫描是由列模拟开关依次开启来执行的。垂直和水平扫描系统就是用于按行和列顺序，控制和操作整个阵列的曝光和读出。阵列中每一列的像素共享一个列读出通道，在有M列像素的阵列中有M个完全相同的通道电路，对信号进

4、行放大和模拟处理，以获取和改善一列像素的图像信号。经过列选择的图像信号通过可变增益的宽带模拟放大器，然后输入到高速模拟数字转换电路。模拟图像信号在模数转换电路上变换成数字图像数据，以串行或并行格式输出到集成电路芯片的引脚上。整个像素阵列的曝光和读出过程，由一个控制器按事先设计的时序和输入的指令同步操作，操作时序由像素阵列的曝光和读出的方式和速率所决定。为了减少芯片引脚的数量，操作指令和数据通常以串行方式如IC格式输入，并存储在控制数据存储器中，作为每次曝光读出操作的依据。操作指令通过译码产生操作的控制信号，控制扫描电路和各个模拟开关的同步操作。2.1.2CMOS图像传感器芯片的封装CMOS图像

5、传感器一般采用标准的集成电路芯片封装，只是在外壳的传感器阵列上方，制作一个光学玻璃窗口，使被摄物体的光学图像经过透镜聚焦，成像在芯片的像素阵列平面上。在这里，透镜系统的光学中轴线，必须对准传感器阵列平面的几何中心，并与成像平面精密垂直。图2.2的左边示意封装的剖面,封装外壳和玻璃窗口共同实现芯片的密封，芯片的焊盘由引线焊接到封装引脚实现电连接。图2.2右边是CMOS图像传感器集成电路芯片的俯视图，硅片安装在封装外壳中，硅片上较亮的矩形面积是像素阵列，深色区域是由遮光材料覆盖的模拟和数字电路部分，周边是引脚焊盘。在数码照相机或电视视频摄像机中，CMOS图像传感器芯片被安装在透镜光学系统的后面，从窗口输入光学图像，从芯片引脚上输出图像数据信