CMOS图像传感器的工作原理及作用
CMOS图像传感器是一种典型的固体成像传感器,与CCD有着共同的历史渊源。CMOS图像传感器通常由像敏单元阵列、行驱动器、列驱动器、时序控制逻辑、AD转换器、数据总线输出接口、控制接口等几部分组成这几部分通常都被集成在同一块硅片上。其工作过程一般可分为复位、光电转换、积分、读出几部分。
在CMOS图像传感器芯片上还可以集成其他数字信号处理电路,如AD转换器、自动曝光量控制、非均匀补偿、白平衡处理、黑电平控制、伽玛校正等,为了进行快速计算甚至可以将具有可编程功能的DSP器件与CMOS器件集成在一起,从而组成单片数字相机及图像处理系统。
更确切地说,CMOS图像传感器应当是一个图像系统。一个典型的CMOS图像传感器通常包含:一个图像传感器核心(是将离散信号电平多路传输到一个单一的输出,这与CCD图像传感器很相似),所有的时序逻辑、单一时钟及芯片内的可编程功能,比如增益调节、积分时间、窗口和模数转换器。
一、CMOS图像传感器基本工作原理
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。
像素阵列工作原理
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(activepixel 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.
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作原理。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。
(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;
(2)然后进入“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。
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。
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&适合于中低档的应用场合。
在光栅型APS结构中，固定图形噪声得到了抑制。其读出噪声为10~20个电子。但它的工艺比较复杂，严格说并不能算完全的CMOS工艺。由于多晶硅覆盖层的引入，使其量子效率比较低，尤其对蓝光更是如此。就目前看来，其整体性能优势并不十分突出。
二、CMOS图像传感器应用
1.数码相机
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。
2.CMOS数字摄像机
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。
3.其他领域应用
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,CCD就很难实现这种应用。
4.应用于X光机市场
在牙科用X光机市场上,用于从口腔内侧给1～2颗牙拍摄X光片的小型CMOS传感器在欧洲已达到实用水平,在美国也在推广。而在从口腔外侧拍摄全景X光片的X光机领域,今后仍将以CCD传感器为主。
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