CMOS工作原理及应用

CMOS图像传感器的原理与应用冯健森CMOS的发展历史CMOS图像传感器的组成CMOS图像传感器的像素阵列CMOS图像传感器的基本工作流程CMOS图像传感器的关键参数CMOS图像传感器与CCD图像传感器的比较CMOS图像传感器件的应用主要内容：固体图像传感器主要分为电荷祸合器件(CCD,ChargeCoupledDevice型和COMS(ComplementaryMetalOxideSemiconductor）型两大类。早期由于受集成电路设计和工艺水平的限制,型摄像器件无法克服其灵敏度低和抗干扰能力差的缺点。到了八十年代末,英国爱丁堡大学成功地试制出世界上第一块单片图像传感芯片,从而为型图像传感器实用化开通了道路。图像传感器由于具有高集成、低功耗、低成本等许多优点,得到了人们越来越多的童视,并逐步成为研究和开发的热点。CMOS图像传感器的发展史CMOS图像传感器的组成组成：CMOS图像传感器的原理如图所示，通常由像敏单元阵列、行驱动器、列时序控制逻辑、A/D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。CMOS图像传感器的像素阵列由大量相同的像素单元组成，这些相同的像素单元是传感器的关键部分。随着CMOS图像传感器的发展，可以细分为很多类，这里我们依照像素不同类型来分，就可分为两大类：一类是无源像素传感器（CMOS-PPS），另一类是有源像素传感器（CMOS-APS）。CMOS图像传感器的像素阵列无源像素传感器无源像素单元结构简单,像素填充率高,量子效率高。但它的读出噪声大,一般为250rms,而商用的CCD读出噪声可低于20rms。不利于向大型阵列发展,不利于提高读出速率,因为这两种情况都会导致更大的读出噪声。在无源像素传感器的像素单元中包括一个光二极管(PhotoDiode)和一个MOS管，MOS管作为行选(RowSeleet)开关。当选通时,光敏二极管中由于光照产生的相应电荷就传送到了列线。下端的积分放大器将该信号转化为电压输出。为减少噪声,列总线下端的放大器在不读信号时,保持列总线为一常数电平。有源像素传感器首先进入“复位状态”,M1打开,对光敏二极管复位然后进入“取样状态”,M1关闭,光照射到光敏二极管M2上产生光生载流子,并通过源踉随器放大输出,纂启进入。读击状态”,这时行选通管M3打开,信号通过列总线输出。这种有源像素传感器的像素单元通常称为3-T(3-Trnasistor)结构，在像素单元中，除一个光二极管外，还包括一个重置(Reset)MOS管、一个源极跟随器(SourceFollower)MOS管和一个行选MOS管。它由光敏二极管、M1复位管、源跟随器M2和行选通管M3组成。CMOS图像传感器的基本工作流程1.发生光电效应。2.行选择逻辑单元选通相应的行像素单元。3.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。衡量CMOS图像传感器性能的参数有很多,下面对这些参数做简单的介绍:感光度分辨率暗电流噪声特性动态范围快门方式CMOS图像传感器的关键参数ISO感光度ISO值是用来表示传统相机所使用底片的感光度。当ISO数值愈大时，感光度就愈大。先来说一下像素：像素，即是影像最基本的单位。也就是说将影像放大到不能再将它分割的影像单位。而分辨率，是在一个特定的区域内共有多少个像素单位，该词最早是用来说明工程中单位长度所撷取到『点』的数目，对应在单位上就成了dpi(dotperinch)。常见单位有：EPI:每一平方英寸共有多少单位数(elementperinch)。DPI:每一平方英寸共有多少点数(dotperinch)。PPI:每一平方英寸共有多少像素数(pixelperinch)。LPI:每一平方英寸共有多少条线(lineperinch)。胶片式照相机一般使用35毫米的胶卷。解像度在数百万到一千万点。但是，胶片经镜头所拍下的成像。有时还比不上100万像素档次的数码相机。100万像素档次的数码相机，拍摄1024x768点阵的画像，经高解像度的打印机打印，解像度为每毫米3到4点（解像度可用点数来表示）。另一方面，胶片经镜头所拍下的成像每毫米3-14点。受我们用肉眼所能鉴别的限制，这种程度的解像度没有太大的区别。分辨率噪声特性由于数码相机本身采用大量的电子器材，所拍摄的影像质量很容易受到电子原件的电磁溢波干扰，CMOS图像传感器上残存的能量以及运作环境温度升高（机体运作时间过久）所产生的自然噪声。这些噪声会被纪录在你所拍摄的影像画面中，你可以透过单一色调的拍摄（黑色）做为观察Noise的指标。暗电流所谓暗电流，就是在没有入射光时光电二极管所释放的电流量，一个被隔离的反向偏置的光电二极管即使在没有任何光照的条件下，也会产生放电现象。快门模式快门对于CMOS图像传感器而言是很重要的，通过电子快门的方式可以控制CMOS图像传感器的积分时间。对于CMOS图像传感器而言，通常有两种快门的机制：卷帘式快门（RollingShutter）和全局式快门（GlobalShutter）。卷帘式快门全局式快门优点在于拍摄运动物体不会失真。卷帘式快门的优点在于没有采样保持单元，结构简单噪音低。全局式快门卷帘式快门读取方式：根据快门方式有所不同，CMOS图像传感器的像素信号读取有两种方式，即扫描读取方式和随机读取方式，如图所示。扫描读取随机读取动态范围图像传感器的动态范围通常可定义为：传感器最大的非饱和信号与暗条件下噪声均方差之比。一般来说，具有较宽动态范围的传感器可以探测更宽的场景照度范围，从而可以得到具有更多细节的图像。CMOS图像传感器与CCD图像传感器的比较感光组件的区别：放大器位置和数量:比较CCD图像传感器和CMOS图像传感器的结构，放大器的位置和数量是最大的不同之处。性能差异：由于构造上的基本差异，我们可以表列出两者在性能上的表现的不同点。CCD图像传感器的特色在于充分保持信号在传输时不失真（专属通道设计），透过每一个像素集合至单一放大器上再做统一处理，可以保持数据的完整性。CMOS图像传感器的制程比较简单，没有专属通道的设计，因此必须先行放大再整合各个像素的数据。整体来说，CCD图像传感器与CMOS图像传感器两种设计的应用，反应在成像效果上，形成包括ISO感光度、制造成本、分辨率、噪声与耗电量等，不同类型的差异：1、ISO感光度差异：2、成本差异3、分辨率差异4、噪声差异5、耗电量差异6、随机读取差异总结及前景展望：由于构造上的基本差异，我们可以表列出两者在性能上的表现之不同。CCD图像传感器的特色在于充分保持信号在传输时不失真（专属通道设计），透过每一个像素集合至单一放大器上再做统一处理，可以保持数据的完整性；CMOS图像传感器的制程比较简单，没有专属通道的设计，因此必须先行放大再整合各个画素的数据。新一代的CCD朝向耗电量减少作为改进目标，以期进入手机摄像头的移动通讯市场；CMOS系列，则开始朝向大尺寸面积与高速图像处理芯片整合，借由后续的图像处理修正噪声以及画质表现，CMOS未来跨足高阶的影像市场产品，前景可期。CMOS图像传感器件的应用数码相机：CMOS在数码相机中的应用:彩色CMOS摄像头在电子快门的控制下,摄取一幅照片存在DRAM中,然后再转至快ROM中存放起来。CMOS还可以完成其他许多功能,如模数转换、负载信号处理、处理白平衡及进行相机控制等。目前几乎所有的初级数码相机都是基于CMOS图像传感器的。对地观察卫星的主要遥感成像技术:在目前，对于重量小于10kg的纳型卫星来说，光成像技术（以可见光为主）将是纳型卫星完成对地观察任务的主要手段。而在可见光统中，其电子光学系统中广泛使用固体成像器件（如CCD）进行遥感成像。CMOS成像器件由于其本身优点，在微纳卫星上具有广泛应用前景。一种典型的模块化遥感微纳卫星如图，其中采用了大量新技术，如CMOS相机、星传感器，基于MEMS的微型陀螺、微加速度计，使用了250MIPS的微处理器与8GB的动态存储器等。Surrey大学的SNAP-1纳型卫星与“清华1号”微小卫星同时发射。SNAP-1纳型卫星上装有3个广角（90度视角）的相机，以及一个小视角相机。图是这些相机在星箭分离时拍摄的照片。太阳敏感器：卫星的微小化要求其组成模块的微型化，要求对现有卫星组成模块进行重新设计，大幅度减小其重量、体积和功耗，使其满足新的要求。由于数字编码式太阳敏感器的几何分辨率主要由传感器像素尺寸决定，而CMOS的像素尺寸可以做到远小于CCD，使得基于的太阳敏感器分辨率能得到提高。