圖像傳感技術 主講 李子印 中國計量學院 第三章CMOS圖像傳感器 CMOS圖像傳感器出現(xiàn)于1969年 它是一種用傳統(tǒng)的芯片工藝方法將光敏元件 放大器 A D轉(zhuǎn)換器 存儲器 數(shù)字信號處理器和計算機接口電路等集成在一塊硅片上的圖像傳感器件 這種器件的結(jié)構(gòu)簡單 處理功能多 成品率高和價格低廉 有著廣泛的應用前景 3 1概述 CMOS成像器件的組成像敏單元結(jié)構(gòu)工作流程和輔助電路 3 2CMOS成像器件的原理結(jié)構(gòu) 它的主要組成部分是像敏單元陣列和MOS場效應管集成電路 而且這兩部分是集成在同一硅片上的 像敏單元陣列由光電二極管陣列構(gòu)成 如圖中所示的像敏單元陣列按X和Y方向排列成方陣 方陣中的每一個像敏單元都有它在X Y各方向上的地址 并可分別由兩個方向的地址譯碼器進行選擇 輸出信號送A D轉(zhuǎn)換器進行模數(shù)轉(zhuǎn)換變成數(shù)字信號輸出 3 2CMOS成像器件的原理結(jié)構(gòu) 3 2 1CMOS成像器件的組成 圖像信號的輸出過程 在Y方向地址譯碼器 可以采用移位寄存器 的控制下 依次序接通每行像敏單元上的模擬開關 圖中標志的Si j 信號將通過行開關傳送到列線上 通過X方向地址譯碼器 可以采用移位寄存器 的控制 輸送到放大器 由于信號經(jīng)行與列開關輸出 因此 可以實現(xiàn)逐行掃描或隔行掃描的輸出方式 也可以只輸出某一行或某一列的信號 3 2CMOS成像器件的原理結(jié)構(gòu) 3 2 1CMOS成像器件的組成 注意 在CMOS圖像傳感器的同一芯片中 還可以設置其他數(shù)字處理電路 例如 可以進行自動曝光處理 非均勻性補償 白平衡處理 校正 黑電平控制等處理 甚至于將具有運算和可編程功能的DSP器件制作在一起形成多種功能的器件 3 2CMOS成像器件的原理結(jié)構(gòu) 3 2 1CMOS成像器件的組成 像敏單元結(jié)構(gòu)指每個成像單元的電路結(jié)構(gòu) 是CMOS圖像傳感器的核心組件 像敏單元結(jié)構(gòu)有兩種類型 即被動像敏單元結(jié)構(gòu)和主動像敏單元結(jié)構(gòu) 3 2CMOS成像器件的原理結(jié)構(gòu) 3 2 2CMOS成像器件的像敏單元結(jié)構(gòu) 只包含光電二極管和地址選通開關兩部分 3 2CMOS成像器件的原理結(jié)構(gòu) 3 2 2CMOS成像器件的像敏單元結(jié)構(gòu) 1 被動像敏單元結(jié)構(gòu) 被動像敏單元結(jié)構(gòu)的缺點是固定圖案噪聲 FPN 大 圖像信號的信噪比較低 主動像敏單元結(jié)構(gòu)是當前得到實際應用的結(jié)構(gòu) 它與被動像敏單元結(jié)構(gòu)的最主要區(qū)別是 在每個像敏單元都經(jīng)過放大后 才通過場效應管模擬開關傳輸 所以固定圖案噪聲大為降低 圖像信號的信噪比顯著提高 3 2CMOS成像器件的原理結(jié)構(gòu) 3 2 2CMOS成像器件的像敏單元結(jié)構(gòu) 1 被動像敏單元結(jié)構(gòu) 場效應管V1構(gòu)成光電二極管的負載 它的柵極接在復位信號線上 當復位脈沖到來時 T1導通 光電二極管被瞬時復位 當復位脈沖消失后 T1截止 光電二極管開始積分光信號 T2為源極跟隨器 它將光電二極管的高阻抗輸出信號進行電流放大 T3用做選址模擬開關 當選通脈沖到來時 T3導通 使被放大的光電信號輸送到列總線上 3 2CMOS成像器件的原理結(jié)構(gòu) 3 2 2CMOS成像器件的像敏單元結(jié)構(gòu) 1 主動像敏單元結(jié)構(gòu) 復位脈沖首先來到 V1導通 光電二極管復位 復位脈沖消失后 光電二極管進行積分 積分結(jié)束時 V3管導通 信號輸出 3 2CMOS成像器件的原理結(jié)構(gòu) 3 2 2CMOS成像器件的像敏單元結(jié)構(gòu) 2 主動像敏單元結(jié)構(gòu) 3 2CMOS成像器件的原理結(jié)構(gòu) 3 2 3CMOS圖像傳感器的工作流程 CMOS圖像傳感器的功能很多 組成也很復雜 由像敏單元 行列開關 地址譯碼器 A D轉(zhuǎn)換器等許多部分組成較為復雜的結(jié)構(gòu) 應使諸多的組成部分按一定的程序工作 以便協(xié)調(diào)各組成部分的工作 為了實施工作流程 還要設置時序脈沖 利用它的時序關系去控制各部分的運行次序 并用它的電平或前后沿去適應各組成部分的電氣性能 3 2CMOS成像器件的原理結(jié)構(gòu) 3 2 3CMOS圖像傳感器的工作流程 1 初始化初始化時要確定器件的工作模式 如 輸出偏壓 放大器的增益 取景器是否開通 并設定積分時間 3 2CMOS成像器件的原理結(jié)構(gòu) 3 2 3CMOS圖像傳感器的工作流程 2 幀讀出 YR 移位寄存器初始化利用同步脈沖SYNC YR 可以使YR移位寄存器初始化 SYNC YR為行啟動脈沖序列 不過在它的第一行啟動脈沖到來之前 有一消隱期間 在此期間內(nèi)要發(fā)送一個幀啟動脈沖 3 2CMOS成像器件的原理結(jié)構(gòu) 3 2 3CMOS圖像傳感器的工作流程 3 啟動行讀出SYNC YR指令可以啟動行讀出 從第一行 Y 0 開始 直至Y Ymax止 Ymax等于行的像敏單元減去積分時間所占去的像敏單元 4 啟動X移位寄存器利用同步信號SYNC X 啟動X移位寄存器開始讀數(shù) 從X 0起 至X Xmax止 X移位寄存器存一幅圖像信號 3 2CMOS成像器件的原理結(jié)構(gòu) 3 2 3CMOS圖像傳感器的工作流程 5 信號采集A D轉(zhuǎn)換器對一幅圖像信號進行A D數(shù)據(jù)采集 6 啟動下行讀數(shù)讀完一行后 發(fā)出指令 接著進行下一行讀數(shù) 7 復位幀復位是用同步信號SYNC YL控制的 從SYNC YL開始至SYNC YR出現(xiàn)的時間間隔便是曝光時間 為了不引起混亂 在讀出信號之前應當確定曝光時間 3 2CMOS成像器件的原理結(jié)構(gòu) 3 2 3CMOS圖像傳感器的工作流程 8 輸出放大器復位用于消除前一個像敏單元信號的影響 由脈沖信號SIN控制對輸出放大器的復位 9 信號采樣 保持為適應A D轉(zhuǎn)換器的工作 設置采樣 保持脈沖 該脈沖由脈沖信號SHY控制 小節(jié) 3 1概述3 2CMOS成像器件的原理結(jié)構(gòu)3 3CMOS成像器件的工作流程 CMOS圖像傳感器能夠像線陣CCD那樣只輸出一行的信號嗎 若能 試說明怎樣實現(xiàn) 何謂被動像敏單元結(jié)構(gòu)與主動像敏單元結(jié)構(gòu) 二者有什么異同 主動像敏單元結(jié)構(gòu)是如何克服被動像敏單元結(jié)構(gòu)的缺陷的 作業(yè)