CMOS圖像傳感器研究報告

CMOS圖像傳感器

研究報告CMOS發(fā)展歷程60年代末期，美國貝爾實(shí)驗室提出固態(tài)成像器件概念后，固體圖像傳感器便得到了迅速發(fā)展70年代初CMOS傳感器在NASA的JetPropulsionLaboratory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(shí)驗室首先研制成功。1997年英國愛丁堡VLSIVersion公司首次實(shí)現(xiàn)了CMOS圖像傳感器的商品化，實(shí)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(jī)的主流產(chǎn)品。CMOS圖像傳感器的工作原理圖

CMOS圖像傳感器的工作原理

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。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

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。象素陣列工作原理

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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。

下圖是單個象素的示意圖：(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V，二極管處于反向狀態(tài)。

(2)

然后進(jìn)人“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上存貯的電荷電壓影響CMOS傳感器性能的主要問題

1、噪聲這是影響CMOS傳感器性能的首要問題。這種噪聲包括固定圖形噪聲FPN、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。2、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(jī)過程，它是散彈噪聲的一個來源。3、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。CCD和CMOS圖像傳感器的異同相同處：它們都采用感光元件作為影像捕獲的基本手段，CCD/CMOS感光元件的核心都是一個感光二極管，該二極管在接受光線照射之后能夠產(chǎn)生輸出電流，而電流的強(qiáng)度則與光照的強(qiáng)度對應(yīng)。不同之處：在周邊組成上，CCD的感光元件與CMOS的感光元件并不相同。CCD感光元件中的有效感光面積較大，在同等條件下可接收到較強(qiáng)的光信號，對應(yīng)的輸出電信號也更明晰CMOS圖像傳感器優(yōu)缺點(diǎn)CMOS圖像傳感器缺點(diǎn)：

CMOS的缺點(diǎn)就是太容易出現(xiàn)雜點(diǎn),這主要是因為早期的設(shè)計使CMOS在處理快速變化的影像時，由于電流變化過于頻繁而會產(chǎn)生過熱的現(xiàn)象。CMOS圖像傳感器具有以下幾個優(yōu)點(diǎn)：在相同分辨率下，CMOS價格比CCD便宜

CMOS影像傳感器電源消耗量比CCD低隨機(jī)窗口讀取能力。隨機(jī)窗口讀取操作是CMOS圖像傳感器在功能上優(yōu)于CCD的一個方面，也稱之為感興趣區(qū)域選取。此外，CMOS圖像傳感器的高集成特性使其很容易實(shí)現(xiàn)同時開多個跟蹤窗口的功能。抗輻射能力。總的來說，CMOS圖像傳感器潛在的抗輻射性能相對于CCD性能有重要增強(qiáng)。系統(tǒng)復(fù)雜程度和可靠性。采用CMOS圖像傳感器可以大大地簡化系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)。COMS圖像傳感器的應(yīng)用CMOS圖像傳感器將廣泛用于保安監(jiān)控、可視門鈴、視頻電子郵件、汽車尾視、可視電話、視頻會議、指紋識別，視覺玩具、星載、制導(dǎo)、醫(yī)療等等。最新發(fā)展方向和趨勢1、低壓驅(qū)動掩埋光電二極管型CMOS圖像傳感器2、低噪聲高畫質(zhì)CMOS圖像傳感器3、高靈敏度CMOS圖像傳感器4、軌對軌CMOS-APS5、單斜率模式CMOS-APS6、CMOS數(shù)字像素傳感器7、寬動態(tài)范圍圖像傳感器8、APD圖像傳感器CMOS圖像傳感器的市場今后幾年，全球CMOS圖像傳感器銷售量將迅速增加，并將