1、圖像傳感技術圖像傳感技術主講：李子印中國計量學院第三章第三章 CMOSCMOS圖像傳感器圖像傳感器 CMOS圖像傳感器出現于1969年,它是一種用傳統的芯片工藝方法將光敏元件、放大器、A/D轉換器、存儲器、數字信號處理器和計算機接口電路等集成在一塊硅片上的圖像傳感器件，這種器件的結構簡單、處理功能多、成品率高和價格低廉，有著廣泛的應用前景。 3.1 概述CMOS成像器件的組成像敏單元結構工作流程和輔助電路3.2 CMOS成像器件的原理結構成像器件的原理結構 它的主要組成部分是像敏單元陣它的主要組成部分是像敏單元陣列和列和MOS場效應管集成電路，而且場效應管集成電路，而且這兩部分是集成在同一硅片

2、上的；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像敏單元陣列由光電二極管陣列構成。構成。如圖中所示的像敏單元陣列按如圖中所示的像敏單元陣列按X和和Y方向排列成方陣，方陣中的每一個方向排列成方陣，方陣中的每一個像敏單元都有它在像敏單元都有它在X，Y各方向上的地各方向上的地址，并可分別由兩個方向的地址譯碼器址，并可分別由兩個方向的地址譯碼器進行選擇；輸出信號送進行選擇；輸出信號送A/D轉換器進行轉換器進行模數轉換變成數字信號輸出。模數轉換變成數字信號輸出。 3.2 CMOS成像器件的原理結構 3.2.1 CMOS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

3、器）的控制下，依次序接通每行像敏單元上的模擬開關（圖中標志的Si,j），信號將通過行開關傳送到列線上；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。由于信號經行與列開關輸出，因此，可以實現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。3.2 CMOS成像器件的原理結構 3.2.1 CMOS成像器件的組成注意：在CMOS圖像傳感器的同一芯片中，還可以設置其他數字處理電路。例如，可以進行自動曝光處理、非均勻性補償、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。3.2 CMOS成像器件的原理結構 3.2.

4、1 CMOS成像器件的組成像敏單元結構指每個成像單元的電路結構，是像敏單元結構指每個成像單元的電路結構，是CMOS圖像傳感器的核心組件。像敏單元結構有兩圖像傳感器的核心組件。像敏單元結構有兩種類型，即種類型，即被動像敏單元結構被動像敏單元結構和和主動像敏單元結構主動像敏單元結構。3.2 CMOS成像器件的原理結構 3.2.2 CMOS成像器件的像敏單元結構只包含光電二極管只包含光電二極管和地址選通開關兩和地址選通開關兩部分。部分。 3.2 CMOS成像器件的原理結構 3.2.2 CMOS成像器件的像敏單元結構1.1.被動像敏單元結構被動像敏單元結構被動像敏單元結構的缺點是固定圖案噪聲（FPN）

5、大、圖像信號的信噪比較低。主動像敏單元結構是當前得到實際應用的結構。它與被動像敏單元結構的最主要區別是，在每個像敏單元都經過放大后，才通過場效應管模擬開關傳輸，所以固定圖案噪聲大為降低，圖像信號的信噪比顯著提高。3.2 CMOS成像器件的原理結構 3.2.2 CMOS成像器件的像敏單元結構1.1.被動像敏單元結構被動像敏單元結構場效應管V1構成光電二極管的負載，它的柵極接在復位信號線上，當復位脈沖到來時，T1導通，光電二極管被瞬時復位；當復位脈沖消失后，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行電流放大。T3用做選址模擬開關，當選通脈沖到來時，T3

6、導通，使被放大的光電信號輸送到列總線上。3.2 CMOS成像器件的原理結構 3.2.2 CMOS成像器件的像敏單元結構1.1.主動像敏單元結構主動像敏單元結構復位脈沖首先來到，V1導通，光電二極管復位；復位脈沖消失后，光電二極管進行積分；積分結束時，V3管導通，信號輸出。3.2 CMOS成像器件的原理結構 3.2.2 CMOS成像器件的像敏單元結構2.2.主動像敏單元結構主動像敏單元結構3.2 CMOS成像器件的原理結構 3.2.3 CMOS圖像傳感器的工作流程CMOS圖像傳感器的功能很多，組成也很復雜。由像敏單元，行列開關，地址譯碼器，A/D轉換器等許多部分組成較為復雜的結構。應使諸多的組成

7、部分按一定的程序工作，以便協調各組成部分的工作。為了實施工作流程，還要設置時序脈沖，利用它的時序關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各組成部分的電氣性能。 3.2 CMOS成像器件的原理結構 3.2.3 CMOS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，并設定積分時間。3.2 CMOS成像器件的原理結構 3.2.3 CMOS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，

8、在此期間內要發送一個幀啟動脈沖。 3.2 CMOS成像器件的原理結構 3.2.3 CMOS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（Y0）開始，直至YYmax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，從X0起，至XXmax止；X移位寄存器存一幅圖像信號。3.2 CMOS成像器件的原理結構 3.2.3 CMOS圖像傳感器的工作流程（5）信號采集 A/D轉換器對一幅圖像信號進行A/D數據采集。（6）啟動下行讀數 讀完一行后，發出指令，接著進行下一行讀數。（7）復位 幀

9、復位是用同步信號SYNC-YL控制的，從SYNC-YL開始至SYNC-YR出現的時間間隔便是曝光時間。為了不引起混亂，在讀出信號之前應當確定曝光時間。3.2 CMOS成像器件的原理結構 3.2.3 CMOS圖像傳感器的工作流程（8）輸出放大器復位 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位。（9）信號采樣/保持 為適應A/D轉換器的工作，設置采樣/保持脈沖，該脈沖由脈沖信號SHY控制。小節小節 3.1 概述3.2 CMOS成像器件的原理結構3.3 CMOS成像器件的工作流程CMOSCMOS圖像傳感器能夠像線陣圖像傳感器能夠像線陣CCDCCD那樣只輸出一行的信號那樣只輸出一行