cmos圖像傳感器課件

cmos圖像傳感器一、概況CMOS（ComplementaryMetalOxideSemiconductor）），互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體，出現(xiàn)于1969年,它是一種用傳統(tǒng)的芯片工藝方法將光敏元件、放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、存儲(chǔ)器、數(shù)字信號(hào)處理器和計(jì)算機(jī)接口電路等集成在一塊硅片上的圖像傳感器件，這種器件的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、處理功能多、成品率高和價(jià)格低廉，有著廣泛的應(yīng)用前景。

CMOS雖然比CCD出現(xiàn)還早一年，但在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，由于它存在成像質(zhì)量差、像敏單元尺寸小、填充率（有效像元與總面積之比）低（10%~20%），響應(yīng)速度慢等缺點(diǎn)，因此只能用于圖像質(zhì)量要求較低、尺寸較小的數(shù)碼相機(jī)中，如機(jī)器人視覺應(yīng)用的場(chǎng)合。目前CMOS圖像傳感器正在監(jiān)檢、保安、自動(dòng)化等民用領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用：數(shù)碼相機(jī)、攝像機(jī)、可拍照手機(jī)、可視門鈴、PC機(jī)的微型攝像頭、指紋鑒定、醫(yī)學(xué)診斷：藥丸式攝像機(jī)（camera-in-a-pill）1.CMOS圖像傳感器的工作原理框圖二、CMOS圖像傳感器的組成圖1.CMOS圖像傳感器工作原理框圖二、CMOS圖像傳感器的組成外界光照射像素陣列，發(fā)生光電效應(yīng)，在像素單元內(nèi)產(chǎn)生相應(yīng)的電荷。行選擇邏輯單元根據(jù)需要，選通相應(yīng)的行像素單元。行像素單元內(nèi)的圖像信號(hào)通過各自所在列的信號(hào)總線傳輸?shù)綄?duì)應(yīng)的模擬信號(hào)處理單元以及A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像信號(hào)輸出。其中的行選擇邏輯單元可以對(duì)像素陣列逐行掃描也可隔行掃描。行選擇邏輯單元與列選擇邏輯單元配合使用可以實(shí)現(xiàn)圖像的窗口提取功能。模擬信號(hào)處理單元的主要功能是對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大處理，并且提高信噪比。另外，為了獲得質(zhì)量合格的實(shí)用攝像頭，芯片中必須包含各種控制電路，如曝光時(shí)間控制、自動(dòng)增益控制等。為了使芯片中各部分電路按規(guī)定的節(jié)拍動(dòng)作，必須使用多個(gè)時(shí)序控制信號(hào)。為了便于攝像頭的應(yīng)用，圖2.CMOS圖像傳感器陣列原理示意圖2.圖像信號(hào)的輸出過程二、CMOS圖像傳感器的組成三、CMOS圖像傳感器的像敏單元結(jié)構(gòu)CMOS圖像傳感器的像敏單元結(jié)構(gòu)有兩種類型，即被動(dòng)像敏單元結(jié)構(gòu)和動(dòng)像敏單元結(jié)構(gòu)。1.被動(dòng)式像敏單元結(jié)構(gòu)：只包含光電二極管和地址選通開關(guān)圖3.CMOS像敏單元結(jié)構(gòu)圖4.圖像信號(hào)的讀出時(shí)序三、CMOS圖像傳感器的像敏單元結(jié)構(gòu)被動(dòng)式像素結(jié)構(gòu)（PassivePixelSensor.簡(jiǎn)稱PPS），又叫無源式。它由一個(gè)反向偏置的光敏二極管和一個(gè)開關(guān)管構(gòu)成。光敏二極管本質(zhì)上是一個(gè)由P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體組成的PN結(jié)，它可等效為一個(gè)反向偏置的二極管和一個(gè)MOS電容并聯(lián)。當(dāng)開關(guān)管開啟時(shí)，光敏二極管與垂直的列線（Columnbus）連通。位于列線末端的電荷積分放大器讀出電路（Chargeintegratingamplifier）保持列線電壓為一常數(shù)，當(dāng)光敏二極管存貯的信號(hào)電荷被讀出時(shí)，其電壓被復(fù)位到列線電壓水平，與此同時(shí)，與光信號(hào)成正比的電荷由電荷積分放大器轉(zhuǎn)換為電荷輸出。2.主動(dòng)式像敏單元結(jié)構(gòu) 基本電路如圖5所示。從圖可以看出，場(chǎng)效應(yīng)管V1構(gòu)成光電二極管的負(fù)載，它的柵極接在復(fù)位信號(hào)線上，當(dāng)復(fù)位脈沖出現(xiàn)時(shí)，V1導(dǎo)通，光電二極管被瞬時(shí)復(fù)位；而當(dāng)復(fù)位脈沖消失后，V1截止，光電二極管開始積分光信號(hào)。 圖6所示為上述過程的時(shí)序圖，其中，復(fù)位脈沖首先來到，V1導(dǎo)通，光電二極管復(fù)位；復(fù)位脈沖消失后，光電二極管進(jìn)行積分；積分結(jié)束后，V3管導(dǎo)通，信號(hào)輸出。圖5.主動(dòng)式像敏單元結(jié)構(gòu)的基本電路圖6.主動(dòng)式像敏單元時(shí)序圖三、CMOS圖像傳感器的像敏單元結(jié)構(gòu)主動(dòng)式像素結(jié)構(gòu)（ActivePixelSensor.簡(jiǎn)稱APS），又叫有源式，

幾乎在CMOSPPS像素結(jié)構(gòu)發(fā)明的同時(shí)，人們很快認(rèn)識(shí)到在像素內(nèi)引入緩沖器或放大器可以改善像素的性能，在CMOSAPS中每一像素內(nèi)都有自己的放大器。集成在表面的放大晶體管減少了像素元件的有效表面積，降低了“封裝密度”，使40%～50%的入射光被反射。這種傳感器的另一個(gè)問題是，如何使傳感器的多通道放大器之間有較好的匹配，這可以通過降低殘余水平的固定圖形噪聲較好地實(shí)現(xiàn)。由于CMOSAPS像素內(nèi)的每個(gè)放大器僅在此讀出期間被激發(fā)，所以CMOSAPS的功耗比CCD圖像傳感器的還小。三、CMOS圖像傳感器的像敏單元結(jié)構(gòu)五、CMOS與CCD圖像傳感器性能比較性能指標(biāo)CMOS圖像傳感器CCD圖像傳感器ISO感光度分辨率噪點(diǎn)暗電流（PA/M2）電子-電壓轉(zhuǎn)換率動(dòng)態(tài)范圍響應(yīng)均勻性讀出速度(Mpixels/s)偏置、功耗工藝難度信號(hào)輸出方式集成度應(yīng)用范圍性價(jià)比低低高10－100大略小較差1000小小x－y尋址，可隨機(jī)采樣高低端、民用高高高低10略小大好70大大順序逐個(gè)像元輸出低高端、軍用、科學(xué)研究略低六、典型CMOS圖像傳感器1.成像器件的原理結(jié)構(gòu)

SXGA型是CMOS圖像傳感器的主要部分，其原理結(jié)構(gòu)如圖8所示。圖8.SXGA型圖像傳感器原理結(jié)構(gòu)圖SXGA型CMOS成像器件像敏區(qū)的結(jié)構(gòu)如圖9所示。該器件的像敏單元總數(shù)是1286×1030個(gè)，其中在每行和每列的起始端及末尾端各有3個(gè)像元為虛設(shè)單元。

圖9.SXGA型圖像傳感器的像敏區(qū)結(jié)構(gòu)六、典型CMOS圖像傳感器SXGA型CMOS成像器件的光譜特性如圖10所示。

圖10.SXGA型圖像傳感器的光譜響應(yīng)特性曲線六、典型CMOS圖像傳感器

SXGA型CMOS成像器件的輸出特性如圖11所示。曲線的線性段的動(dòng)態(tài)范圍僅為66dB。若采用對(duì)數(shù)放大器，動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)到100dB。

圖11.輸出特性曲線2.輸出放大器

圖12所示為SXGA型CMOS成像器件輸出放大器電路原理框圖，主要由三部分組成。圖12.輸出放大電路的原理圖六、典型CMOS圖像傳感器四、CMOS圖像傳感器的性能參數(shù)1、光譜響應(yīng)特性、量子效率2、填充因子 填充因子＝3、輸出特性和動(dòng)態(tài)范圍 隨著輸出模式不同，有四種動(dòng)態(tài)范圍：（1）線性輸出：適合連續(xù)測(cè)量、動(dòng)態(tài)范圍小、S/N高（2）雙斜率模式:擴(kuò)大動(dòng)態(tài)范圍（3）對(duì)數(shù)模式：動(dòng)態(tài)范圍大（4）γ校正模式：U=KeγE4、噪聲 （1）光敏元噪聲：熱噪聲、散粒噪聲、g-r噪聲、電流噪聲 （2）MOS噪聲 （3）工作噪聲：復(fù)位噪聲、空間噪聲5、空間傳遞函數(shù)

增益可調(diào)的放大器可按指數(shù)規(guī)律控制，如圖13所示?？刂圃鲆娴男盘?hào)為4位編碼信號(hào)，即可選擇的增益有8種，增益在5.33~17.53之間可調(diào)。

圖13.增益調(diào)節(jié)規(guī)律圖14.增益對(duì)帶寬的影響六、典型CMOS圖像傳感器輸出放大器的輸出/輸入特性曲線如圖15所示。圖15.輸出-輸入特性曲線六、典型CMOS圖像傳感器3.A/D轉(zhuǎn)換器

A/D轉(zhuǎn)換器的輸出/輸入間的關(guān)系曲線如圖16所示。圖16.模-數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出特性六、典型CMOS圖像傳感器數(shù)碼相機(jī)傳感器尺寸感光元件的尺寸（傳感器對(duì)角線的長(zhǎng)度）是影響成像表現(xiàn)力的硬指標(biāo)之一格式長(zhǎng)度（mm）寬度（mm）對(duì)角線面積全畫幅362443.27864.00佳能APS-H27.918.633.53518.94尼康DX23.615.828.40372.88佳能APS-C22.314.926.82332.27佳能1.5英寸18.71423.36261.804/3英寸17.31321.64224.90尼康1系列13.28.815.86116.16富士2/3英寸8.86.611.0058.081/1.7英寸7.765.829.7045.161/2.3英寸6.164.627.7028.461/3.2英寸4.133.055.1312.60數(shù)碼相機(jī)的像素:相機(jī)像素是衡量數(shù)碼相機(jī)質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)之一常被消費(fèi)者視為選購數(shù)碼相機(jī)時(shí)的考核重要指標(biāo)，許多消費(fèi)者也因此走進(jìn)了高像素的誤區(qū)，盲目地追求高像素，將像素看成了衡量數(shù)碼相機(jī)質(zhì)量的惟一標(biāo)準(zhǔn)。拍攝圖像的像素?cái)?shù)取決于相機(jī)內(nèi)CCD或者CMOS芯片上光敏單元的數(shù)量，理論上，光敏單元越多，拍攝到的影像就會(huì)越清晰。但是由于數(shù)碼相機(jī)感光元件的面積比傳統(tǒng)膠片的面積小很多，在有限的芯片面積上增加過多的光敏單元會(huì)出現(xiàn)很多問題，例如圖像信噪比降低、感光度降低等單反相機(jī)一般采用的是大尺寸的APS-C畫幅感光元件，而有些卡片相機(jī)采用的是1/2.3英寸感光元件，雖然它們可能都擁1800萬像素，但是區(qū)別在于二者的單個(gè)像素寬度不同。APS-C畫幅、1800萬像素感光元件的每一個(gè)像素寬約為4.3微米，而1/2.3英寸、1800萬像素感光元件的每一個(gè)像素寬約有1.68微米。單個(gè)像素越寬代表每個(gè)像素點(diǎn)的面積越大，通常情況下像素點(diǎn)的面積越大其捕捉的光子越多，感光性能越好，越不容易產(chǎn)生噪點(diǎn)。而像素點(diǎn)面積越小，所獲得的信息量自然也就少了，數(shù)碼相機(jī)傳感器尺寸數(shù)碼相機(jī)的焦距光動(dòng)來放大與縮小需要拍攝的景物，光學(xué)變焦倍數(shù)學(xué)變焦：相機(jī)依靠光學(xué)鏡頭結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)變焦。通過鏡片移越大，能拍攝的景物就越遠(yuǎn)，對(duì)于變焦性能不強(qiáng)的相機(jī)來對(duì)比，調(diào)整焦距的遠(yuǎn)程拍攝也相對(duì)清晰一些。數(shù)碼變焦:把圖片內(nèi)的每個(gè)象素面積增大，從而達(dá)到放大目的。一臺(tái)相機(jī)的最小焦距越小，它的廣角拍攝范圍就越大，有利于拍攝大場(chǎng)面，而最大焦距越大則遠(yuǎn)攝能力越強(qiáng)。拍照手機(jī)，構(gòu)成要素包括傳感器、鏡頭、鏡頭支架、軟硬板等，傳感器對(duì)光線感受的能力，感光度越高（也就是ISO值越高）時(shí)，拍攝時(shí)所需要的光線就越少，感光度越低時(shí)，對(duì)拍攝時(shí)所需要的光線就越多。數(shù)碼相機(jī)的ISO是通過兩種方式實(shí)現(xiàn)的：1、強(qiáng)行提高每個(gè)象