CMOS圖像傳感器原理及應(yīng)用.ppt

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CMOS圖像傳感器的原理與應(yīng)用,主要內(nèi)容：,CMOS圖像傳感器的組成CMOS圖像傳感器的像素陣列CMOS圖像傳感器的基本工作流程CMOS圖像傳感器的關(guān)鍵參數(shù)CMOS圖像傳感器與CCD圖像傳感器的比較CMOS圖像傳感器件的應(yīng)用,,CMOS圖像傳感器的組成,組成：CMOS圖像傳感器的原理如圖所示，通常由像敏單元陣列、行驅(qū)動(dòng)器、列時(shí)序控制邏輯、A/D轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)總線輸出接口、控制接口等幾部分組成，這幾部分通常都被集成在同一塊硅片上。,CMOS圖像傳感器的像素陣列,CMOS圖像傳感器的像素陣列由大量相同的像素單元組成，這些相同的像素單元是傳感器的關(guān)鍵部分。隨著CMOS圖像傳感器的發(fā)展，可以細(xì)分為很多類，這里我們依照像素不同類型來分，就可分為兩大類：一類是無源像素傳感器（CMOS-PPS），另一類是有源像素傳感器（CMOS-APS）。,無源像素傳感器,,在無源像素傳感器的像素單元中包括一個(gè)光二極管(PhotoDiode)和一個(gè)MOS管，MOS管作為行選(RowSeleet)開關(guān).,有源像素傳感器,,這種有源像素傳感器的像素單元通常稱為3-T(3-Trnasistor)結(jié)構(gòu)，在像素單元中，除一個(gè)光二極管外，還包括一個(gè)重置(Reset)MOS管、一個(gè)源極跟隨器(SourceFollower)MOS管和一個(gè)行選MOS管。,CMOS圖像傳感器的基本工作流程,,1.發(fā)生光電效應(yīng)。2.行選擇邏輯單元選通相應(yīng)的行像素單元。3.信號(hào)通過各自所在列的信號(hào)總線傳輸?shù)綄?yīng)的模擬信號(hào)處理單元以及A/D轉(zhuǎn)換器。,CMOS圖像傳感器的關(guān)鍵參數(shù),衡量CMOS圖像傳感器性能的參數(shù)有很多,下面對這些參數(shù)做簡單的介紹:感光度分辨率暗電流噪聲特性動(dòng)態(tài)范圍快門方式,ISO感光度,ISO值是用來表示傳統(tǒng)相機(jī)所使用底片的感光度。當(dāng)ISO數(shù)值愈大時(shí)，感光度就愈大。,分辨率,先來說一下像素：像素，即是影像最基本的單位。也就是說將影像放大到不能再將它分割的影像單位。而分辨率，是在一個(gè)特定的區(qū)域內(nèi)共有多少個(gè)像素單位，該詞最早是用來說明工程中單位長度所擷取到『點(diǎn)』的數(shù)目，對應(yīng)在單位上就成了dpi(dotperinch)。常見單位有：EPI:每一平方英寸共有多少單位數(shù)(elementperinch)。DPI:每一平方英寸共有多少點(diǎn)數(shù)(dotperinch)。PPI:每一平方英寸共有多少像素?cái)?shù)(pixelperinch)。LPI:每一平方英寸共有多少條線(lineperinch)。膠片式照相機(jī)一般使用35毫米的膠卷。解像度在數(shù)百萬到一千萬點(diǎn)。但是，膠片經(jīng)鏡頭所拍下的成像。有時(shí)還比不上100萬像素檔次的數(shù)碼相機(jī)。100萬像素檔次的數(shù)碼相機(jī)，拍攝1024x768點(diǎn)陣的畫像，經(jīng)高解像度的打印機(jī)打印，解像度為每毫米3到4點(diǎn)（解像度可用點(diǎn)數(shù)來表示）。另一方面，膠片經(jīng)鏡頭所拍下的成像每毫米3-14點(diǎn)。受我們用肉眼所能鑒別的限制，這種程度的解像度沒有太大的區(qū)別。,噪聲特性,由于數(shù)碼相機(jī)本身采用大量的電子器材，所拍攝的影像質(zhì)量很容易受到電子原件的電磁溢波干擾，CMOS圖像傳感器上殘存的能量以及運(yùn)作環(huán)境溫度升高（機(jī)體運(yùn)作時(shí)間過久）所產(chǎn)生的自然噪聲。這些噪聲會(huì)被紀(jì)錄在你所拍攝的影像畫面中，你可以透過單一色調(diào)的拍攝（黑色）做為觀察Noise的指標(biāo)。,暗電流,所謂暗電流，就是在沒有入射光時(shí)光電二極管所釋放的電流量，一個(gè)被隔離的反向偏置的光電二極管即使在沒有任何光照的條件下，也會(huì)產(chǎn)生放電現(xiàn)象。,快門模式,快門對于CMOS圖像傳感器而言是很重要的，通過電子快門的方式可以控制CMOS圖像傳感器的積分時(shí)間。對于CMOS圖像傳感器而言，通常有兩種快門的機(jī)制：卷簾式快門（RollingShutter）和全局式快門（GlobalShutter）。,卷簾式快門,,全局式快門優(yōu)點(diǎn)在于拍攝運(yùn)動(dòng)物體不會(huì)失真。卷簾式快門的優(yōu)點(diǎn)在于沒有采樣保持單元，結(jié)構(gòu)簡單噪音低。,全局式快門,卷簾式快門,,讀取方式：根據(jù)快門方式有所不同，CMOS圖像傳感器的像素信號(hào)讀取有兩種方式，即掃描讀取方式和隨機(jī)讀取方式，如圖所示。,掃描讀取,隨機(jī)讀取,動(dòng)態(tài)范圍,圖像傳感器的動(dòng)態(tài)范圍通?？啥x為：傳感器最大的非飽和信號(hào)與暗條件下噪聲均方差之比。一般來說，具有較寬動(dòng)態(tài)范圍的傳感器可以探測更寬的場景照度范圍，從而可以得到具有更多細(xì)節(jié)的圖像。,CMOS圖像傳感器與CCD圖像傳感器的比較,感光組件的區(qū)別：放大器位置和數(shù)量:比較CCD圖像傳感器和CMOS圖像傳感器的結(jié)構(gòu)，放大器的位置和數(shù)量是最大的不同之處。,性能差異：由于構(gòu)造上的基本差異，我們可以表列出兩者在性能上的表現(xiàn)的不同點(diǎn)。CCD圖像傳感器的特色在于充分保持信號(hào)在傳輸時(shí)不失真（專屬通道設(shè)計(jì)），透過每一個(gè)像素集合至單一放大器上再做統(tǒng)一處理，可以保持?jǐn)?shù)據(jù)的完整性。CMOS圖像傳感器的制程比較簡單，沒有專屬通道的設(shè)計(jì)，因此必須先行放大再整合各個(gè)像素的數(shù)據(jù)。整體來說，CCD圖像傳感器與CMOS圖像傳感器兩種設(shè)計(jì)的應(yīng)用，反應(yīng)在成像效果上，形成包括ISO感光度、制造成本、分辨率、噪聲與耗電量等，不同類型的差異：1、ISO感光度差異：2、成本差異3、分辨率差異4、噪聲差異5、耗電量差異6、隨機(jī)讀取,,差異總結(jié)及前景展望：由于構(gòu)造上的基本差異，我們可以表列出兩者在性能上的表現(xiàn)之不同。CCD圖像傳感器的特色在于充分保持信號(hào)在傳輸時(shí)不失真（專屬通道設(shè)計(jì)），透過每一個(gè)像素集合至單一放大器上再做統(tǒng)一處理，可以保持?jǐn)?shù)據(jù)的完整性；CMOS圖像傳感器的制程比較簡單，沒有專屬通道的設(shè)計(jì)，因此必須先行放大再整合各個(gè)畫素的數(shù)據(jù)。新一代的CCD朝向耗電量減少作為改進(jìn)目標(biāo)，以期進(jìn)入手機(jī)攝像頭的移動(dòng)通訊市場；CMOS系列，則開始朝向大尺寸面積與高速圖像處理芯片整合，借由后續(xù)的圖像處理修正噪聲以及畫質(zhì)表現(xiàn)，CMOS未來跨足高階的影像市場產(chǎn)品，前景可期。,,CMOS圖像傳感器件的應(yīng)用,數(shù)碼相機(jī)：CMOS在數(shù)碼相機(jī)中的應(yīng)用:彩色CMOS攝像頭在電子快門的控制下,攝取一幅照片存在DRAM中,然后再轉(zhuǎn)至快ROM中存放起來。CMOS還可以完成其他許多功能,如模數(shù)轉(zhuǎn)換、負(fù)載信號(hào)處理、處理白平衡及進(jìn)行相機(jī)控制等。目前幾乎所有的初級數(shù)碼相機(jī)都是基于CMOS圖像傳感器的。,,對地觀察衛(wèi)星的主要遙感成像技術(shù):在目前，對于重量小于10kg的納型衛(wèi)星來說，光成像技術(shù)（以可見光為主）將是納型衛(wèi)星完成對地觀察任務(wù)的主要手段。而在可見光統(tǒng)中，其電子光學(xué)系統(tǒng)中廣泛使用固體成像器件（如CCD）進(jìn)行遙感成像。CMOS成像器件由于其本身優(yōu)點(diǎn)，在微納衛(wèi)星上具有廣泛應(yīng)用前景。一種典型的模塊化遙感微納衛(wèi)星如圖，其中采用了大量新技術(shù)，如CMOS相機(jī)、星傳感器，基于MEMS的微型陀螺、微加速度計(jì)，使用了250MIPS的微處理器與8GB的動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器等。,Surrey大學(xué)的SNAP-1納型衛(wèi)星與“清華1號(hào)”微小衛(wèi)星同時(shí)發(fā)射。SNAP-1納型衛(wèi)星上裝有3個(gè)廣角（90度視角）的相機(jī)，以及一個(gè)小視角相機(jī)。圖是這些相機(jī)在星箭分離時(shí)拍攝的照片。,,太陽敏感器：衛(wèi)星的微小化要求其組成模塊的微型化，要求對現(xiàn)有衛(wèi)星組成模塊進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，大幅度減小其重量、體積和功耗，使其滿足新的要求。由于數(shù)字編碼式太陽敏感器的幾何分辨率主要由傳感器像素尺寸決定，而CMOS的像素尺寸可以做到遠(yuǎn)小于CCD，使得基于的太陽敏感器分辨率能得到提高。,,