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圖像傳感技術(shù) 主講 李子印 中國計量學(xué)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(jī)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(yīng)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(yīng)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(jìn)行選擇 輸出信號送A D轉(zhuǎn)換器進(jìn)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(guān) 圖中標(biāo)志的Si j 信號將通過行開關(guān)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(guān)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(shè)置其他數(shù)字處理電路 例如 可以進(jìn)行自動曝光處理 非均勻性補(bǔ)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(guān)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(dāng)前得到實際應(yīng)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(yīng)管模擬開關(guān)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(yīng)管V1構(gòu)成光電二極管的負(fù)載 它的柵極接在復(fù)位信號線上 當(dāng)復(fù)位脈沖到來時 T1導(dǎo)通 光電二極管被瞬時復(fù)位 當(dāng)復(fù)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(jìn)行電流放大 T3用做選址模擬開關(guān) 當(dāng)選通脈沖到來時 T3導(dǎo)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(fù)位脈沖首先來到 V1導(dǎo)通 光電二極管復(fù)位 復(fù)位脈沖消失后 光電二極管進(jìn)行積分 積分結(jié)束時 V3管導(dǎo)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(fù)雜 由像敏單元 行列開關(guān) 地址譯碼器 A D轉(zhuǎn)換器等許多部分組成較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu) 應(yīng)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(shè)置時序脈沖 利用它的時序關(guān)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(yīng)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(shè)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(jìn)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(jìn)行下一行讀數(shù) 7 復(fù)位幀復(fù)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(yīng)當(dāng)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(fù)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(fù)位 9 信號采樣 保持為適應(yīng)A D轉(zhuǎn)換器的工作 設(shè)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)