CMOS圖像傳感器-傳感器原理結(jié)課論文

CMOS圖像傳感器簡介 隨著集成電路制造工藝技術(shù)的發(fā)展和集成電路設(shè)計水平的不斷提高，基于CMOS集成電路工藝技術(shù)制造的CMOS圖像傳感器由于其集成度高、功耗低、體積小、工藝簡單、成本低且開發(fā)周期較短等優(yōu)勢，目前在諸多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，特別是數(shù)碼產(chǎn)品如數(shù)碼相機、照相手機的圖像傳感器應(yīng)用方面，市場前景廣泛，因此對CMOS圖像傳感器的研究與開發(fā)有著非常高的市場價值。一、CMOS圖像傳感器的發(fā)展歷史70年代初CMOS傳感器在NASA的JetPropulsionLaboratory(JPL)制造成功，80年代末，英國愛丁堡大學(xué)成功試制出了世界第一塊單片CMOS型圖像傳感器件，1995年像元數(shù)為（128×128）的高性能CMOS有源像素圖像傳感器由噴氣推進(jìn)實驗室首先研制成功，1997年英國愛丁堡VLSIVersion公司首次實現(xiàn)了CMOS圖像傳感器的商品化，就在這一年，實用CMOS技術(shù)的特征尺寸已達(dá)到0.35mm，東芝研制成功了光敏二極管型APS，其像元尺寸為5.6mm×5.6mm，具有彩色濾色膜和微透鏡陣列，2000年日本東芝公司和美國斯坦福大學(xué)采用0.35mm技術(shù)開發(fā)的CMOS-APS已成為開發(fā)超微型CMOS攝像機的主流產(chǎn)品。二、CMOS圖像傳感器的工作原理1、下圖為CMOS圖像傳感器的功能框圖：首先，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)的圖像信號通過各自所在列的信號總線傳輸?shù)綄?yīng)的模擬信號處理單元以及A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像信號輸出。其中的行選擇邏輯單元可以對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現(xiàn)圖像的窗口提取功能。模擬信號處理單元的主要功能是對信號進(jìn)行放大處理，并且提高信噪比。另外，為了獲得質(zhì)量合格的實用攝像頭，芯片中必須包含各種控制電路，如曝光時間控制、自動增益控制等。為了使芯片中各部分電路按規(guī)定的節(jié)拍動作，必須使用多個時序控制信號。為了便于攝像頭的應(yīng)用，還要求該芯片能輸出一些時序信號，如同步信號、行起始信號、場起始信號等。2、象素陣列工作原理：圖像傳感器一個直觀的性能指標(biāo)就是對圖像的復(fù)現(xiàn)的能力。而象素陣列就是直接關(guān)系到這一指標(biāo)的關(guān)鍵的功能模塊。按照像素陣列單元結(jié)構(gòu)的不同，可以將像素單元分為無源像素單元PPS(passivepixelschematic)，有源像素單元APS(activepixelschematic)和對數(shù)式像素單元，有源像素單元APS又可分為光敏二極管型APS、光柵型APS。以上各種象素陣列單元各有特點，但是他們有著基本相同的工作原理。以下先介紹它們基本的工作原理，像素陣列中的每個像素電路如圖2所示在圖2中，像素陣列中的單個像素工作過程如下:（1）首先進(jìn)入“復(fù)位狀態(tài)”，此時打開門管M，電容被充電至Vr，二極管處于反向狀態(tài)；（2）然后進(jìn)入“取樣狀態(tài)”。這時關(guān)閉門管M，在光照下二極管產(chǎn)生光電流，使電容上存貯的電荷放電，經(jīng)過一個固定時間間隔后，電容C上存留的電荷量就與光照成正比例，這時就將一幅圖像攝入到了敏感元件陣列之中了；（3）最后進(jìn)入“讀出狀態(tài)”。這時再打開門管M，逐個讀取各像素中電容C上存貯的電荷電壓。三、CMOS圖像傳感器的優(yōu)缺點與CCD傳感器相比，CMOS圖像傳感器具有的優(yōu)點：CMOS圖像傳感器可在單芯片內(nèi)集成A/D轉(zhuǎn)換、信號處理、自動增益控制、精密放大和存儲等功能，大大減小了系統(tǒng)復(fù)雜性，降低了成本，因而顯示出強勁的發(fā)展勢頭。此外，它還具有低功耗、單電源、低工作電壓(3V～5V)、集成度高、成品率高、可對局部像元隨機訪問以及價格低廉、體積小和使用方便等突出優(yōu)點。2、CMOS圖像傳感器的缺點：噪聲這是CMOS傳感器受到制約的首要問題。這種噪聲包括固定圖形噪聲FPN（Fixedpatternnoise）、暗電流噪聲、熱噪聲等。固定圖形噪聲產(chǎn)生的原因是一束同樣的光照射到兩個不同的象素上產(chǎn)生的輸出信號不完全相同。噪聲正是這樣被引入的。暗電流物理器件不可能是理想的，如同亞閾值效應(yīng)一樣，由于雜質(zhì)、受熱等其他原因的影響，即使沒有光照射到象素，象素單元也會產(chǎn)生電荷，這些電荷產(chǎn)生了暗電流。暗電流與光照產(chǎn)生的電荷很難進(jìn)行區(qū)分。暗電流在像素陣列各處也不完全相同，它會導(dǎo)致固定圖形噪聲。對于含有積分功能的像素單元來說，暗電流所造成的固定圖形噪聲與積分時間成正比。暗電流的產(chǎn)生也是一個隨機過程，它是散彈噪聲的一個來源。因此，熱噪聲元件所產(chǎn)生的暗電流大小等于像素單元中的暗電流電子數(shù)的平方根。當(dāng)長時間的積分單元被采用時，這種類型的噪聲就變成了影響圖像信號質(zhì)量的主要因素，對于昏暗物體，長時間的積分是必要的，并且像素單元電容容量是有限的，于是暗電流電子的積累限制了積分的最長時間。象素的飽和與溢出模糊類似于放大器由于線性區(qū)的范圍有限而存在一個輸入上限，對于CMOS圖像傳感芯片來說，它也有一個輸入的上限。輸入光信號若超過此上限，像素單元將飽和而不能進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換。對于含有積分功能的像素單元來說，此上限由光電子積分單元的容量大小決定：對于不含積分功能的像素單元，該上限由流過光電二極管或三極管的最大電流決定。在輸入光信號飽和時，溢出模糊就發(fā)生了。溢出模糊是由于像素單元的光電子飽和進(jìn)而流出到鄰近的像素單元上。溢出模糊反映到圖像上就是一片特別亮的區(qū)域。這有些類似于照片上的曝光過度。溢出模糊可通過在像素單元內(nèi)加入自動泄放管來克服，泄放管可以有效地將過剩電荷排出。但是，這只是限制了溢出，卻不能使象素能真實還原出圖像了。CMOS圖像傳感器的應(yīng)用1、數(shù)字?jǐn)z像機現(xiàn)在市場上數(shù)字?jǐn)z像機的品種已經(jīng)很多了，多數(shù)使用CMOS彩色圖像傳感器制成，可以是線型圖像傳感器，也可以是面型圖像傳感器。其結(jié)構(gòu)圖如圖3-1所示。圖3-1數(shù)字?jǐn)z像機基本結(jié)構(gòu)我們知道，對變化的外界景物連續(xù)拍攝圖片，只要拍攝速度超過24幅／s，再按同樣的速度播放這些圖片，可以重現(xiàn)變化的外界景物，這是利用了人眼的視覺暫留原理。外界景物通過鏡頭照射到COMS彩色圖像傳感器上，CMOS彩色圖像傳感器在掃描電路的控制下，可將變化的外界景物以25幅／s圖像的速度轉(zhuǎn)換為串行模擬脈沖信號輸出。該串行模擬脈沖信號經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，由于信號量很大，所以還要進(jìn)行信號數(shù)據(jù)壓縮。壓縮后的信號數(shù)據(jù)可存儲在存儲卡上，日本松下最新推出的P2存儲卡容量可達(dá)64GB，也可以存儲在專用的數(shù)碼錄像磁帶上。數(shù)字?jǐn)z像機使用2／3in57萬像素(攝像區(qū)域為33萬像素)的高精度CMOS彩色圖像傳感器芯片。2、數(shù)碼相機數(shù)碼相機的結(jié)構(gòu)與數(shù)字?jǐn)z像機相似，只不過數(shù)碼相機拍攝的是靜止圖像。數(shù)碼相機的基本結(jié)構(gòu)如圖3-2所示。圖3-2數(shù)碼相機基本結(jié)構(gòu)變化的外界景物通過鏡頭照射到CMOS彩色圖像傳感器上，當(dāng)使用者感到圖像滿意時，可由取景器電路發(fā)出信號鎖定，再由CMOS彩色圖像傳感器轉(zhuǎn)換為串行模擬脈沖信號輸出。該串行模擬脈沖信號由放大器放大，再由A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，存儲在PCMCIA卡(個人電腦存儲卡國際接口標(biāo)準(zhǔn))上。該存儲卡上的圖像數(shù)據(jù)可送微型計算機顯示和保存。A／D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字圖像信號也可由串行口直接送微型計算機顯示和保存。數(shù)碼相機通常被劃分為高端(400萬像素以上)、中端(330萬像素、210萬像素)與低端(百萬像素以下)三種產(chǎn)品。中端數(shù)碼相機使用l／2in330萬像素(有效像素為2048×1536)的CMOS彩色圖像傳感器，芯片面積為35mm膠片的1/5．35?，F(xiàn)在已有中、高端數(shù)碼相機使用的CMOS彩色圖像傳感器推出。2/3inCMOS芯片830萬像素(有效像素為3264×2448)，可輸如300dpi(每英寸點數(shù))的l.88inx8.16in幅面的相片現(xiàn)。在已有1400萬像素的高端數(shù)碼相機。3、彩信手機彩信手機也叫拍照手機。目前大都采用CMOS彩色圖像傳感器。彩信手機的照相機功照由相機模組(攝像頭)實現(xiàn)。相機模組組成如圖3-2所示。圖3-2彩信手機相機模組組成框圖相機模組屬于有彩信功能的手機的基本配置，鏡頭和閃光燈安放在翻蓋表面上。開啟面板上的照相功能鍵后，就可進(jìn)行拍照。被攝景物通過鏡頭照射到CMOS彩色圖像傳感器上。CMOS彩色圖像傳感器將圖像轉(zhuǎn)換，為串行模擬脈沖信號，經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換，送DSP數(shù)字信號處理器處理。處理后的數(shù)字圖像信號以YUV422的亮度和色度信號比例，送液晶屏顯示。用(OK)按鍵選定并拍照，圖像數(shù)據(jù)存入存儲器。按(發(fā)送)鍵，該圖像數(shù)據(jù)輸送到手機的基帶信號電路，與語音信號一樣，調(diào)制到射頻頻率上發(fā)送到對方手機。CMOS傳感器被認(rèn)為是拍照手機的理想解決方案，它的優(yōu)點是制造成本I較CCD更低，功耗也低得多(手機可接受的功耗為80。lOOmW)，速度快。只是CMOS攝像頭對光源的要求要高一些，也無法達(dá)到CCD那樣高的分辨率，但對640×480像素分辨率(35萬像素)的手機攝像頭來說，CMOS已足以應(yīng)付。五、CMOS圖像傳感器的未來發(fā)展趨勢目前CMOS圖像傳感器的研究熱點主要有以下幾個方面：多功能、智能化。傳統(tǒng)的圖像傳感器僅局限于獲取被攝對象的圖像,圖像的傳輸和處理需要單獨的硬件和軟件來完成。由于CMOS圖像傳感器在系統(tǒng)集成上的優(yōu)點,可以從系統(tǒng)級水平來設(shè)計芯片。如可以在芯片內(nèi)集成相應(yīng)的功能部件應(yīng)用于特定領(lǐng)域,如Transchip公司開發(fā)的高質(zhì)量手機用攝像機,內(nèi)部集成了ISP,并整合了JPEG圖像壓縮功能。也可以從通用角度考慮,在芯片內(nèi)部集成通用微處理器。為了消除數(shù)字圖像傳輸?shù)钠款i,還可以將高速圖像傳輸技術(shù)集成到同一塊芯片上,形成片上系統(tǒng)型數(shù)字相機和智能CMOS圖像傳感器。斯坦福大學(xué)的PDC研究小組和一些專業(yè)廠商合作,在新的圖像處理算法、體系結(jié)構(gòu)、電路設(shè)計以及單片PDC的研究方面取了一些令人矚目的果。高幀速率。由于CMOS圖像傳感器具有訪問靈活的優(yōu)點,所以可以通過只讀出感光面上感興趣的很小區(qū)域來提高幀速率。同時,CMOS圖像傳感器本身在動態(tài)范圍和光敏感度上的提高也有利于幀速率的提高。國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的LM9630可達(dá)到600幀/s的速度;斯坦福大學(xué)PDC研究小組開發(fā)的單片PDC,在352×288分辨率下,其掃描速度可達(dá)10000幀/s;Dalsa公司宣稱其生產(chǎn)的CMOS圖像傳感器掃描速度最高可達(dá)20000幀/s;Micron公司的MT9M413C36ST在1280×1024分辨率下可以達(dá)到0～500幀/s的幀速率,部分掃描時可達(dá)10000幀/s。寬動態(tài)范圍。以色列工業(yè)大學(xué)(IsraelInstituteofTechnology)的VLSI系統(tǒng)研究中心將用于CCD的自適應(yīng)敏感技術(shù)用于CMOS傳感器中,使CMOS傳感器的整個動態(tài)范圍可達(dá)84dB,并在一個64×64的芯片上進(jìn)行了實驗。NASA的JPL實驗室也致力于將CCD的工作模式用于CMOS圖像傳感器中。高分辨率。目前CMOS圖像傳感器最高分辨率可達(dá)3170×2120像素,約616萬像素。低噪聲技術(shù)。目前用于科學(xué)研究的高性能CCD能達(dá)到的噪聲水平為3～5個電子,而CMOS圖像傳感器則為300～500個電子。JPL實驗室采用APS技術(shù)的圖像傳感器能達(dá)到14個電子。模塊化、低功耗。由于CMOS圖像傳感器便于小型化和系統(tǒng)集成,所以可以根據(jù)特定應(yīng)用場合,將相關(guān)的功能集成在一起,并通過優(yōu)化設(shè)計進(jìn)一步降低功耗。如Fujitsu公司生產(chǎn)的MB86S02A成像模塊,在每秒拍攝15幅畫面的情況下,功耗僅為15mW。六、個人對CMOS圖像傳感器的看法CMOS圖像傳感器正在向高靈敏度、高分辨率、高動態(tài)范圍、集成化、數(shù)字化、智能化的“片上相機”解決方案方向發(fā)展。芯片加工工藝不斷發(fā)展,從0.5μm→0.35μm→0.25μm→0.18μm,接口電壓也在不斷降低,從5V→3.3V→2.5V/3.3V→1.8V/3.3V。研究人員致力于提高CMOS圖像傳感器的綜合性能,縮小單元尺寸,調(diào)整CMOS工藝參數(shù),將數(shù)字信號處理電路、圖像壓縮、通訊等電路集成在一起,并制作濾色片和微透鏡陣列,以實現(xiàn)低成本、低功耗、低噪聲、高度集成的單芯片成像微系統(tǒng)。隨著數(shù)字電視、可視通訊產(chǎn)品的增加,CMOS圖象傳感器的應(yīng)用前景一定會更加廣闊。關(guān)于CMOS圖像傳感器，已經(jīng)形成了國際標(biāo)準(zhǔn)，而在各國的各個領(lǐng)域中，對CMOS圖像傳感器的應(yīng)用也是十分的廣泛，所以在CMOS圖像傳感器方面是很有發(fā)展前途的。[1]