CMOS图像传感器在摄像机中的运用

目录前言21.设计基本思路22CMOS图像传感器的基本概况321 CMOS图像传感器的介绍32.2 CMOS图像传感器的种类32.2.1被动式像素结构传感器32.2.2 主动式像素结构传感器43. CMOS图像传感器的在摄像机中的应用设计53.1 CMOS摄像机的工作原理63.2 CMOS摄像机的元器件组成及其核心元件的介绍63.3 CMOS图像传感器应用于摄像机的优势7331 集成性好7332 成本低，功耗小7333 响应范围广泛7334 可靠性高8335 抗辐射性强84. CMOS图像传感器的误差分析及其解决方法85. CMOS图像传感器的发展前景9总结10参考文献：10CMOS图像传感器在摄像机中的运用前言在科学技术高速发展的现代社会中，人类已经入瞬息万变的信息时代，人们追求美好生活的愿望也越来越强烈。我想我们中有很多人应该很喜欢摄影的，随着技术的发展，各种各样摄像机不断进入我们的生活，摄像能把我们美好的生活片段记录下来，给我们留下最美好的回忆。CMOS摄像机，很多人应该见过，它是以CMOS图像传感器为核心元件制作的一种摄像机。我的论文主要介绍的便是CMOS图像传感器在摄像机中的运用，文章着重介绍CMOS图像传感器的工作原理、分类，及其影响CMOS图像传感器在摄像机中的运用，工作原理及其影响它的条件因素。CMOS摄像机是近十几年才逐渐进入市场的一种摄像机，它是以CMOS图像传感器为核心制作的一种摄像机。以其集成度高和价格低廉的技术特点吸引更多的厂商进行新技术研发。CMOS摄像机是能在同一CMOS图像传感器芯片上集成所有摄像机功能电路的摄像机，其具有结构简单、集成度高、功耗小、成本低的优点，已广泛应用于科学、军事、医疗、工业、国防、影视等领域。本次选择做关于CMOS图像传感器在摄像机的运用，经过上网查找文献，资料，认真完成此论文的。文章对CMOS图像传感器的工作原理、分类进行阐述，同时也对CMOS摄像机的工作原理、它的应用进行了介绍，并分析了它的优点及其发展前景等。1. 设计基本思路如下图1 基本设计思路框图所示：CMOS图像传感器的基本概况CMOS图像传感器在摄像机中的运用CMOS图像传感器的误差分析及其解决方法图1 基本设计思路框图2CMOS图像传感器的基本概况21 CMOS图像传感器的介绍CMOS图像传感器中文学名为互补金属氧化物半导体，它本是计算机系统内一种重要的芯片，保存了系统引导最基本的资料。CMOS的制造技术和一般计算机芯片没什么差别，主要是利用硅和锗这两种元素所做成的半导体，使其在CMOS上共存着带N（带负电） 和 P（带正电）极的半导体，这两个互补效应所产生的电流即可被处理芯片记录和解读成影像，后来发现CMOS经过加工也可以作为数码摄影中的图像传感器。2.2 CMOS图像传感器的种类CMOS图像传感器也可细分为被动式像素结构传感器与主动式像素结构传感器。2.2.1被动式像素结构传感器被动式像素结构（Passive Pixel Sensor.简称PPS），又叫无源式。它由一个反向偏置的光敏二极管和一个开关管构成。光敏二极管本质上是一个由P型半导体和N型半导体组成的PN结，它可等效为一个反向偏置的二极管和一个MOS电容并联。当开关管开启时，光敏二极管与垂直的列线连通。位于列线末端的电荷积分放大器读出电路保持列线电压为一常数，当光敏二极管存储的信号电荷被读出时，其电压被复位到列线电压水平，与此同时，与光信号成正比的电荷由电荷积分放大器转换为电荷输出。如下图2 PPS结构示意图所示：图2 PPS结构2.2.2 主动式像素结构传感器主动式像素结构（Active Pixel Sensor.简称APS），又叫有源式。 几乎在CMOS PPS像素结构发明的同时，人们很快认识到在像素内引入缓冲器或放大器可以改善像素的性能，在CMOS APS中每一像素内都有自己的放大器。集成在表面的放大晶体管减少了像素元件的有效表面积，降低了“封装密度”，使40%50%的入射光被反射。这种传感器的另一个问题是，如何使传感器的多通道放大器之间有较好的匹配，这可以通过降低残余水平的固定图形噪声较好地实现。由于CMOS APS像素内的每个放大器仅在此读出期间被激发，所以CMOS APS的功耗比CCD图像传感器的要小。CMOS 图像传感器经光电转换后直接产生电流(或电压）信号，信号读取十分简单。 如下图3 APS结构示意图所示：图3 APS结构2.3 CMOS图像传感器的工作原理。CMOS图像传感器的工作条件是必须在其P型硅衬底和源极接电源负极，漏极接电源正极。当无图像光信号照射到光敏二极管上时，源极和漏极之间无电流通过，因此无信号输出。当有图像光信号照射到光敏二极管上时，光敏元件的价带电子获得能量激发跃迁到导带而形成图像光电子，因而在源极和漏极之间形成电流通路而输出图像电信号。显然，入射图像光信号越强，在光敏材料中激发的导电粒子越多，使源极、漏极之间的电流越大，输出信号越大。所以，输出信号的大小直接反映了入射光信号的强弱。具体来说，CMOS图像传感器是基于电荷存储的工作原理，即PN结反向充电，然后在光照条件下放大，放电速度随光照强度的不同而不同。经过一定时间的放电，每个像素保留的电荷不同，这样就实现了光电转换，把图像信号由光学系统聚焦在PN结像素阵列表面，逐一扫描像素阵列，就能得到一幅图像的电信号。CMOS图像传感器工作原理框图如图4所示。图2-1 CMOS图像传感器工作原理框图3. CMOS图像传感器的在摄像机中的应用设计由于CMOS图像传感器可以把光信号，处理并转化成图像信号，我们利用它的这一特可以制作CMOS摄像机。3.1 CMOS摄像机的工作原理它能把拍摄物的光信号转变为电信号后进行处理输出，如图5 CMOS摄像机工作原理框图。 图5 CMOS摄像机工作原理框图在拍摄一个物体时，此物体上反射的光被摄像机镜头收集，使其聚焦在CMOS图像传感器的受光面上，同时把光能转变为电能，即得到了“视频信号”，但信号很微弱，需通过预放电路进行放大，再经过各种电路进行处理和调整，得到标准信号，再将标准信号送到录像机等记录媒介上记录下来，或通过传播系统传播或送到监视器上显示出来。3.2 CMOS摄像机的元器件组成及其核心元件的介绍摄像机的种类很多，外形也不同，但它们的基本组成和内部结构都是相似的。从外形上看，一般都是由光学镜头、光电转换电路、录像机、寻像器、输入输出单元及附件组成。其中光电转换器件（CMOS图像传感器芯片）是摄像机的核心部件。如下图6为CMOS图像传感器芯片。图6 CMOS图像传感器芯片CMOS传感器芯片集成了图像传感器核心(将离散信号电平多路复用传送到一个单一的输出，与CCD的原理相似)、所有的时序逻辑、单一时钟、芯片内的可编程功能包括增益调节、集合时间、开窗口和模-数转换器。所以，所说的一个CMOS图像传感器其实是一个包括图像阵列、逻辑寄存器、存储器、定时脉冲发生器和转换器在内的全部系统。3.3 CMOS图像传感器应用于摄像机的优势331 集成性好CMOS 图像传感器同超大规模集成电路之间具有良好的兼容性，可以把驱动与控制系统、ADC 和信号处理等电路集成在一块芯片上，形成单片高集成度数字成像系统。332 成本低，功耗小由于CMOS 图像传感器采用标准的半导体制造工艺，可以轻易地将周边电路（如AGC，CDS，时钟和DSP 等）集成到传感器芯片中，因此可以节省外围芯片的成本。CMOS 图像传感器使用单一工作电压，功耗低，仅相当于CCD 功耗的1/8。333 响应范围广泛CMOS 图像传感器除了对可见光，对红外光也非常敏感，在890980 nm 范围内其灵敏度远高于CCD图像传感器的灵敏度，并且随波长增加而衰减的梯度也相对较慢。如能设计制造出在13 m 波长范围内敏感的CMOS 图像传感器，在夜战和夜间监控上将有更广泛的应用。334 可靠性高CMOS 图像传感器和CCD 在商用及工业应用领域具有等价的可靠性。在极端恶劣的应用环境中,由于CMOS 图像传感器将大部分相机电路集成在一个芯片上，焊点与接头大大减少，其可靠性要优于CCD图像传感器。335 抗辐射性强由于CCD 的像素由MOS 电容构成，电荷激发的量子效应易受辐射线的影响；而CMOS 图像传感器的像素由光电二极管或光栅构成，因此，CMOS 图像传感器的抗辐射能力比CCD 大十多倍，这有利于军用和强辐射环境下应用。4. CMOS图像传感器的误差分析及其解决方法（1）噪声影响这是影响CMOS传感器性能的首要问题。这种噪声包括固定图形噪声、暗电流噪声、热噪声等。解决方法是： 1) 采用减少失调的独特电路，使用制造更加稳定的晶体管专用工艺；2) 每个像元内含一个对各种变化灵敏度相对较低的放大器；3) 借鉴CCD 图像传感器的制备技术，采用相关双取样电路技术和微透镜阵列技术；4) 光敏二极管设计成针形结构或掩埋形结构。（2）暗电流物理器件不可能是理想的，由于杂质、受热等其他原因的影响，即使没有光照射到像素，像素单元也会产生电荷，这些电荷产生了暗电流。暗电流与光照产生的电荷很难进行区分。暗电流在像素阵列各处也不完全相同，它会导致固定图形噪声。解决方法是：为减少暗电流对图像信号的影响，首先可以采取降温手段。但是，仅对芯片降温是远远不够的，由暗电流产生的固定图形噪声不能完全通过双采样克服。现在采用的有效的方法是从已获得的图像信号中减去暗电流信号。（3）象素的饱和与溢出模糊类似于放大器由于线性区的范围有限而存在一个输入上限，对于CMOS图像传感芯片来说，它也有一个输入的上限。输入光信号若超过此上限，像素单元将饱和而不能进行光电转换。在输入光信号饱和时，溢出模糊就发生了。溢出模糊反映到图像上就是一片特别亮的区域，这有些类似于照片上的曝光过度。解决方法是：溢出模糊可通过在像素单元内加入自动泄放管来克服，泄放管可以有效地将过剩电荷排出。但是，这只是限制了溢出，却不能使象素能真实还原出图像。5. CMOS图像传感器的发展前景由于CMOS 图像传感器的应用，新一代图像系统的开发研制已经得到了迅速发展，并且随着经济规模的形成，其生产成本也得到了降低。高集成单芯片CMOS 图像传感器使有关图像的应用更容易实现。增加和改善了许多功能，如自动增益控制、自动曝光控制、伽玛校正、背景补偿和自动黑点校正。 所有的彩色矩阵处理功能都被集成在芯片上。CMOS模拟摄像机主要还应用在闭路监控、工业监控、可视门铃、汽车后视、视觉玩具和消防类电子产品方面，这类器件连接监控的AV端口即可看到图像，通过图像捕捉卡也可将图像输入到计算机；而CMOS数字摄像机主要应用在图像识别、可视电话、数码相机、PC多媒体技术等方面。 CMOS 集成度高，将会在功耗、大小、系统及成本上有竞争优势。 带CMOS 图像传感器的手机价格低，使用方便，同PC 机结合可进行编辑，配合高性能的打印机以及计算机上网的普及，市场需求量会快速增长。总结本学期我们学习了传感器的知识，从前觉得传感器是个十分神奇的东西，但通过了一个学期的学习，逐渐对传感器有了更深更具体的了解，就不像从前那样懵懂无知了。知道了很多传感器方面的专业知识，同时对传感器也有越来越多的兴趣。我通过查找资料，本来是找CCD传感器的，结果看见了CMOS图像传感器，于是好奇心大增，多方查找杂志刊物，文档等材料，觉得CMOS图像传感器有很大的发展潜力。这篇关于CMOS图像传感器在摄像机中运用的论文，介绍了它的核心元件CMOS图像传感器的工作原理，发现它有很多优点，它的应用领域很广泛。这次关于CMOS图像传感器的论文给了我一个更多了解传感器的机会，让我渐渐深入了解传感器。参考文献：1 杭州电子工业学院学报 第23卷第1期 2O03年2月第 10 页 共 10 页