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CMOS图像传感器基本原理与应用简介

2013-04-18 10:53
华静一
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  1 引言

  图像传感器是将光信号转换为电信号的装置,在数字电视、可视通信市场中有着广泛的应用。60年代末期,美国贝尔实脸室发现电荷通过半导体势阱发生转移的现象,提出了固态成像这一新概念和一维CCD(Charge-Coupled Device 电荷耦合器件)模型器件。到90年代初,CCD技术已比较成热,得到非常广泛的应用。但是随着CCD应用范围的扩大,其缺点逐渐暴露出来。首先,CCD技术芯片技术工艺复杂,不能与标准工艺兼容。其次,CCD技术芯片需要的电压功耗大,因此CCD技术芯片价格昂贵且使用不便。目前,最引人注目,最有发展潜力的是采用标准的CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor  互补金属氧化物场效应管)技术来生产图像传感器,即CMOS图像传感器。CMOS图像传感器芯片采用了CMOS工艺,可将图像采集单元和信号处理单元集成到同一块芯片上。由于具有上述特点,它适合大规模批量生产,适用于要求小尺寸、低价格、摄像质量无过高要求的应用,如保安用小型、微型相机、手机、计算机网络视频会议系统、无线手持式视频会议系统、条形码扫描器、传真机、玩具、生物显微计数、某些车用摄像系统等大量商用领域。20世纪80年代,英国爱丁堡大学成功地制造出了世界上第一块单片CMOS图像传感器件。目前,CMOS图像传感器正在得到广泛的应用,具有很强地市场竞争力和广阔地发展前景。

  2 CMOS图像传感器基本工作原理

CMOS图像传感器基本原理与应用简介

CMOS图像传感器的功能框图

  首先,外界光照射像素阵列,发生光电效应,在像素单元内产生相应的电荷。行选择逻辑单元根据需要,选通相应的行像素单元。行像素单元内的图像信号通过各自所在列的信号总线传输到对应的模拟信号处理单元以及A/D转换器,转换成数字图像信号输出。其中的行选择逻辑单元可以对像素阵列逐行扫描也可隔行扫描。行选择逻辑单元与列选择逻辑单元配合使用可以实现图像的窗口提取功能。模拟信号处理单元的主要功能是对信号进行放大处理,并且提高信噪比。另外,为了获得质量合格的实用摄像头,芯片中必须包含各种控制电路,如曝光时间控制、自动增益控制等。为了使芯片中各部分电路按规定的节拍动作,必须使用多个时序控制信号。为了便于摄像头的应用,还要求该芯片能输出一些时序信号,如同步信号、行起始信号、场起始信号等。

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