第一部分第三章CMOS图像传感器剖析

图像传感技术主讲：李子印中国计量学院第三章CMOS图像传感器CMOS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。3.1概述CMOS成像器件的组成像敏单元结构工作流程和辅助电路3.2CMOS成像器件的原理结构它的主要组成部分是像敏单元阵列和MOS场效应管集成电路，而且这两部分是集成在同一硅片上的；像敏单元阵列由光电二极管阵列构成。如图中所示的像敏单元阵列按X和Y方向排列成方阵，方阵中的每一个像敏单元都有它在X，Y各方向上的地址，并可分别由两个方向的地址译码器进行选择；输出信号送A/D转换器进行模数转换变成数字信号输出。3.2CMOS成像器件的原理结构3.2.1CMOS成像器件的组成图像信号的输出过程：在Y方向地址译码器（可以采用移位寄存器）的控制下，依次序接通每行像敏单元上的模拟开关（图中标志的Si,j），信号将通过行开关传送到列线上；通过X方向地址译码器（可以采用移位寄存器）的控制，输送到放大器。由于信号经行与列开关输出，因此，可以实现逐行扫描或隔行扫描的输出方式。也可以只输出某一行或某一列的信号。3.2CMOS成像器件的原理结构3.2.1CMOS成像器件的组成注意：在CMOS图像传感器的同一芯片中，还可以设置其他数字处理电路。例如，可以进行自动曝光处理、非均匀性补偿、白平衡处理、γ校正、黑电平控制等处理。甚至于将具有运算和可编程功能的DSP器件制作在一起形成多种功能的器件。3.2CMOS成像器件的原理结构3.2.1CMOS成像器件的组成像敏单元结构指每个成像单元的电路结构，是CMOS图像传感器的核心组件。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。3.2CMOS成像器件的原理结构3.2.2CMOS成像器件的像敏单元结构只包含光电二极管和地址选通开关两部分。3.2CMOS成像器件的原理结构3.2.2CMOS成像器件的像敏单元结构1.被动像敏单元结构被动像敏单元结构的缺点是固定图案噪声（FPN）大、图像信号的信噪比较低。主动像敏单元结构是当前得到实际应用的结构。它与被动像敏单元结构的最主要区别是，在每个像敏单元都经过放大后，才通过场效应管模拟开关传输，所以固定图案噪声大为降低，图像信号的信噪比显著提高。3.2CMOS成像器件的原理结构3.2.2CMOS成像器件的像敏单元结构1.被动像敏单元结构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，当复位脉冲到来时，T1导通，光电二极管被瞬时复位；当复位脉冲消失后，T1截止，光电二极管开始积分光信号。T2为源极跟随器，它将光电二极管的高阻抗输出信号进行电流放大。T3用做选址模拟开关，当选通脉冲到来时，T3导通，使被放大的光电信号输送到列总线上。3.2CMOS成像器件的原理结构3.2.2CMOS成像器件的像敏单元结构1.主动像敏单元结构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；积分结束时，V3管导通，信号输出。3.2CMOS成像器件的原理结构3.2.2CMOS成像器件的像敏单元结构2.主动像敏单元结构3.2CMOS成像器件的原理结构3.2.3CMOS图像传感器的工作流程CMOS图像传感器的功能很多，组成也很复杂。由像敏单元，行列开关，地址译码器，A/D转换器等许多部分组成较为复杂的结构。应使诸多的组成部分按一定的程序工作，以便协调各组成部分的工作。为了实施工作流程，还要设置时序脉冲，利用它的时序关系去控制各部分的运行次序；并用它的电平或前后沿去适应各组成部分的电气性能。3.2CMOS成像器件的原理结构3.2.3CMOS图像传感器的工作流程（1）初始化初始化时要确定器件的工作模式，如：输出偏压、放大器的增益、取景器是否开通，并设定积分时间。3.2CMOS成像器件的原理结构3.2.3CMOS图像传感器的工作流程（2）帧读出（YR）移位寄存器初始化利用同步脉冲SYNC-YR，可以使YR移位寄存器初始化。SYNC-YR为行启动脉冲序列，不过在它的第一行启动脉冲到来之前，有一消隐期间，在此期间内要发送一个帧启动脉冲。3.2CMOS成像器件的原理结构3.2.3CMOS图像传感器的工作流程（3）启动行读出SYNC-YR指令可以启动行读出，从第一行（Y﹦0）开始，直至Y﹦Ymax止；Ymax等于行的像敏单元减去积分时间所占去的像敏单元。（4）启动X移位寄存器利用同步信号SYNC-X，启动X移位寄存器开始读数，从X﹦0起，至X﹦Xmax止；X移位寄存器存一幅图像信号。3.2CMOS成像器件的原理结构3.2.3CMOS图像传感器的工作流程（5）信号采集A/D转换器对一幅图像信号进行A/D数据采集。（6）启动下行读数读完一行后，发出指令，接着进行下一行读数。（7）复位帧复位是用同步信号SYNC-YL控制的，从SYNC-YL开始至SYNC-YR出现的时间间隔便是曝光时间。为了不引起混乱，在读出信号之前应当确定曝光时间。3.2CMOS成像器件的原理结构3.2.3CMOS图像传感器的工作流程（8）输出放大器复位用于消除前一个像敏单元信号的影响，由脉冲信号SIN控制对输出放大器的复位。（9）信号采样/保持为适应A/D转换器的工作，设置采样/保持脉冲，该脉冲由脉冲信号SHY控制。小节3.1概述3.2CMOS成像器件的原理结构3.3CMOS成像器件的工作流程CMOS图像传感器能够像线阵CCD那样只输出一行的信号吗？若能，试说明怎样实现。何谓被动像敏单元结构与主动像敏单元结构？二者有什么异同？主动像敏单元结构是如何克服被动像敏单元结构的缺陷的？作业