84CMOS图像传感器

常大定电话：875572042.6.4CMOS图像传感器光电系统与信号处理常大定87557204一、概况CMOS（ComplementaryMetalOxideSemiconductor）图像传感器出现于1969年,它是一种用传统的芯片工艺方法将光敏元件、放大器、A/D转换器、存储器、数字信号处理器和计算机接口电路等集成在一块硅片上的图像传感器件，这种器件的结构简单、处理功能多、成品率高和价格低廉，有着广泛的应用前景。常大定87557204出现还早一年，但在相当长的时间内，由于它存在成像质量差、像敏单元尺寸小、填充率（有效像元与总面积之比）低（10%~20%），响应速度慢等缺点，因此只能用于图像质量要求较低、尺寸较小的数码相机中，如机器人视觉应用的场合。一、概况常大定87557204图像传感器正在监检、保安、自动化等民用领域得到广泛应用：数码相机、摄像机、可拍照手机、可视门铃、PC机的微型摄像头、指纹鉴定、医学诊断：药丸式摄像机（camera-in-a-pill）一、概况常大定87557204二、CMOS图像传感器的组成图1.CMOS图像传感器工作原理框图1.CMOS图像传感器的工作原理框图常大定87557204图像信号的输出过程二、CMOS图像传感器的组成常大定87557204三、CMOS图像传感器的像敏单元结构CMOS图像传感器的像敏单元结构有两种类型，即被动像敏单元结构和主动像敏单元结构。1.被动式像敏单元结构：只包含光电二极管和地址选通开关图3.CMOS像敏单元结构图4.图像信号的读出时序常大定87557204所示。从图可以看出，场效应管V1构成光电二极管的负载，它的栅极接在复位信号线上，当复位脉冲出现时，V1导通，光电二极管被瞬时复位；而当复位脉冲消失后，V1截止，光电二极管开始积分光信号。图6所示为上述过程的时序图，其中，复位脉冲首先来到，V1导通，光电二极管复位；复位脉冲消失后，光电二极管进行积分；积分结束后，V3管导通，信号输出。图5.主动式像敏单元结构的基本电路图6.主动式像敏单元时序图三、CMOS图像传感器的像敏单元结构常大定87557204四、CMOS图像传感器的性能参数1、光谱响应特性、量子效率2、填充因子填充因子＝3、输出特性和动态范围随着输出模式不同，有四种动态范围：（1）线性输出：适合连续测量、动态范围小、S/N高（2）双斜率模式:扩大动态范围（3）对数模式：动态范围大（4）γ校正模式：U=KeγE4、噪声（1）光敏元噪声：热噪声、散粒噪声、g-r噪声、电流噪声（2）MOS噪声（3）工作噪声：复位噪声、空间噪声5、空间传递函数光敏面积像敏面积输出特性和动态范围线性输出双斜率输出对数模式输出γ校正输出曝光量信号传输率线性输出双斜率输出对数模式输出γ校正输出常大定87557204五、CMOS与CCD图像传感器性能比较性能指标CMOS图像传感器CCD图像传感器暗电流（PA/M2）电子-电压转换率动态范围响应均匀性读出速度(Mpixels/s)偏置、功耗工艺难度信号输出方式集成度应用范围性价比10－100大略小较差1000小小x－y寻址，可随机采样高低端、民用高10略小大好70大大顺序逐个像元输出低高端、军用、科学研究略低常大定87557204图像传感器工作原理框图五、CMOS与CCD图像传感器性能比较常大定87557204六、典型CMOS图像传感器1.成像器件的原理结构SXGA型是CMOS图像传感器的主要部分，其原理结构如图8所示。图8.SXGA型图像传感器原理结构图常大定87557204所示。该器件的像敏单元总数是1286×1030个，其中在每行和每列的起始端及末尾端各有3个像元为虚设单元。图9.SXGA型图像传感器的像敏区结构六、典型CMOS图像传感器常大定87557204所示。图10.SXGA型图像传感器的光谱响应特性曲线六、典型CMOS图像传感器常大定87557204所示。曲线的线性段的动态范围仅为66dB。若采用对数放大器，动态范围可达到100dB。图11.输出特性曲线2.输出放大器图12所示为SXGA型CMOS成像器件输出放大器电路原理框图，主要由三部分组成。图12.输出放大电路的原理图六、典型CMOS图像传感器常大定87557204增益可调的放大器可按指数规律控制，如图13所示。控制增益的信号为4位编码信号，即可选择的增益有8种，增益在5.33~17.53之间可调。图13.增益调节规律图14.增益对带宽的影响六、典型CMOS图像传感器常大定87557204输出放大器的输出/输入特性曲线如图15所示。图15.输出-输入特性曲线六、典型CMOS图像传感器常大定87557204转换器A/D转换器的输出/输入间的关系曲线如图16所示。图16.模-数转换器的输出特性六、典型CMOS图像传感器