CMOS图像传感器

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。

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。

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。

(1)光照特性

CMOS传感器的主要应用也是图像的采集,也要求能够适应更宽的光照范围。因此也必须采用非线性的处理方法和自动调整曝光时间与自动增益等处理方法。结果与CCD相机一样损失了光电转换的线性,正因为此项,它也受限于灰度的测量。

(2)输出特性

CMOS图像传感器的突出优点在于输出特性,它可以部分输出任意区域范围内的图像。(并非所有CMOS传感器都具有这个功能,如果生产厂家没有给您提供)这个特性在跟踪、寻的、搜索及室外拍照等的应用前景非常之好。也是CCD传感器所无法办到的。

(3)光谱响应

光谱响应受半导体材料限制,同种硅材料的光谱响应基本一致,与CCD的光谱响应基本一致。

(4)光敏单元的不均匀性

光敏单元的不均匀性是CMOS图像传感器的弱项,因为它的光敏单元不像CCD那样严格的在同一硅片上用同样的制造工艺严格制造,因此远不如CCD的光敏单元的一致性好,但是它内部集成单元多,处理能力强能够弥补这个缺陷。

完整的 CMOS 摄像器件包含如图 1 所示的各功能块。下面分别介绍各功能块的作用。

1  敏感元件阵列阵列中的每个像素如图 2 所示 ,工作过程如下:

(1)首先进入“复位状态” ,此时打开门管 M ,电容被充电至 V r ,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。

2  灵敏放大器

在敏感元件阵列中 ,各像素上反映光强的电荷量(电压信号) ,是一个很弱的电信号 ,必须进行放大 ,所以要求放大器不仅要十分灵敏 ,而且具有低的噪声。

3  阵列扫描电路

水平移位寄存器可完成水平方向的扫描 ,利用它 ,可以实现从左向右或从右向左 ,依次读出某行中各列像素中的电信号。垂直移位寄存器可完成垂直方向的扫描 ,利用它 ,可以实现从上向下依次读出每行各像素中的电信号 ,从而实现了对一幅图像信息的扫描。为了输出到外电路 ,还要通过输出放大器 ,以提高驱动能力。

4  控制电路

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、自动增益控制及 r 校正等。

5  时序电路

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。

6  性能特点

由于 CCD 图像传感器的制造工艺与 CMOS集成电路的制造工艺兼容 ,所以用 CCD图像传感器作光电转换阵列时 ,除敏感元件阵列外 ,摄像头所必须的其他电路 ,都只能制作在其余的集成电路芯片上。

正因为如此 ,与 CCD 摄像头相比 ,CMOS摄像头具有功耗低、集成度高、价格低廉、体积小和使用方便等优点。

噪声

这是影响CMOS传感器性能的首要问题。这种噪声包括固定图形噪声FPN(Fixed pattern noise)、暗电流噪声、热噪声等。固定图形噪声产生的原因是一束同样的光照射到两个不同的象素上产生的输出信号不完全相同。噪声正是这样被引入的。对付固定图形噪声可以应用双采样或相关双采样技术。具体地说来有点像在设计模拟放大器时引入差分对来抑制共模噪声。双采样是先读出光照产生的电荷积分信号,暂存然后对象素单元进行复位,再读取此象素单元地输出信号。两者相减得出图像信号。两种采样均能有效抑制固定图形噪声。另外,相关双采样需要临时存储单元,随着象素地增加,存储单元也要增加。

暗电流

物理器件不可能是理想的,如同亚阈值效应一样,由于杂质、受热等其他原因的影响,即使没有光照射到象素,象素单元也会产生电荷,这些电荷产生了暗电流。暗电流与光照产生的电荷很难进行区分。暗电流在像素阵列各处也不完全相同,它会导致固定图形噪声。对于含有积分功能的像素单元来说,暗电流所造成的固定图形噪声与积分时间成正比。暗电流的产生也是一个随机过程,它是散弹噪声的一个来源。因此,热噪声元件所产生的暗电流大小等于像素单元中的暗电流电子数的平方根。当长时间的积分单元被采用时,这种类型的噪声就变成了影响图像信号质量的主要因素,对于昏暗物体,长时间的积分是必要的,并且像素单元电容容量是有限的,于是暗电流电子的积累限制了积分的最长时间。

为减少暗电流对图像信号的影响,首先可以采取降温手段。但是,仅对芯片降温是远远不够的,由暗电流产生的固定图形噪声不能完全通过双采样克服。采用的有效的方法是从已获得的图像信号中减去参考暗电流信号。

象素的饱和与溢出模糊

类似于放大器由于线性区的范围有限而存在一个输入上限,对于CMOS图像传感芯片来说,它也有一个输入的上限。输入光信号若超过此上限,像素单元将饱和而不能进行光电转换。对于含有积分功能的像素单元来说,此上限由光电子积分单元的容量大小决定:对于不含积分功能的像素单元,该上限由流过光电二极管或三极管的最大电流决定。在输入光信号饱和时,溢出模糊就发生了。溢出模糊是由于像素单元的光电子饱和进而流出到邻近的像素单元上。溢出模糊反映到图像上就是一片特别亮的区域。这有些类似于照片上的曝光过度。溢出模糊可通过在像素单元内加入自动泄放管来克服,泄放管可以有效地将过剩电荷排出。但是,这只是限制了溢出,却不能使象素能真实还原出图像了。