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新型CMOS图象传感器原理及设计

宣布时间:2010年03月12日 15:03    宣布者:李宽
要害词: CMOS , 设计 , 图象传感器 , 原理
金属氧化物半导体元件(Complementary Metal-Oxide Semiconductor,CMOS)图象传感器和电荷耦合元件(Charge Coupled Device,CCD)摄像器件在20年前简直是同时起步的。CCD是应用在摄影摄像方面的高端手艺元件,CMOS则应用于较低影象品行的产物中。

由于CCD器件有光照迅速度高、噪音低、像素小等优点,以是在之前15年里它一直主宰着图象传感器市场。与之相反,CMOS图象传感器之前存在着像素年夜,信噪比小,分辨率低这些弱点,一直没法和CCD手艺反抗。然则随着年夜规模集成电路手艺的赓续生长,之前CMOS图象传感器制造工艺中不容易处置赏罚赏罚的手艺难关现已都能找到照顾处置赏罚赏罚的蹊径,从而年夜年夜刷新了CMOS图象传感器的图象质量。

1 CMOS有源像素传感器

比来CMOS图象传感器遭到看重主要启事在于之前年夜年夜低于CCD的迅速度效果徐徐取得处置赏罚赏罚。由于与CCD相比,CMOS传感用具有更好的量产性,而且容易完成网罗其他逻辑电路在内的SoC(System on Chip)产物,而这在CCD中却很难完成。特殊是CMoS传感器不像CCD那样须要特另外制造工艺,是以可直接应用面向DRAM等年夜批量产物的临盆装备。这样一来,CMOS图象传感器就有能够组成完全不合于CCD图象传感器的资源结构。

图1示出了有源像素CMOS图象传感器 (ActivePixel Sensor,APS)的功效结构图,其中成像部门为光敏二极管阵列(Photo Diode Array)。

1.gif

场效应管(4T)有源像素CMOS 图象传感器的每个像素由光敏二极管、复位管T2、转移管T1、源追随器T3和行选通开关管T4组成,如图2所示。

2.gif

转移管T1被用来将光敏二极管毗连至源追随器T3,并经由历程复位管T2与VDD相连。T3的栅极与T1和T2之间的N+疏散区相连。与3T结构的APS相比,增添了与T3的栅极相关的漏电流效应。源追随器T3的作用是完成对旌旗暗记的镌汰年夜懈弛冲,刷新APS的噪声效果。T4是用来将旌旗暗记与列总线相连。其使命历程是:首先进入“复位状态”,T2掀开,对光敏二极管复位;然落伍入“取样状态”,T2关闭,光照射到光敏二极管上发生光生载流子,并经由历程源追随器T3镌汰年夜输入;最落伍入“读出状态”,这时间间行选通管T4掀开,旌旗暗记经由历程列总线输入。

APS具有低读出噪声和高读出速率等优点,但像素单元结构严重年夜,填充系数降低,填充系数浅易只需20%~30%。为了前进像素的填充系数,APS在像素的上方设置了微透镜(Micro-lenses),如图3所示。

3.jpg

由APS阵列所取得的图象信息,经由图1中列模数转换器(Column ADC)转换为数字旌旗暗记后,再经由一系列的后续处置赏罚赏罚历程,取得输入如图4所示的帧图象数据结构。

4.jpg

2 图象的预处置赏罚赏罚历程及措施

为了取得优胜的图象质量,须要对所搜集的原始图象数据阻拦处置赏罚赏罚。浅易上,图象的预处置赏罚赏罚是在协处置赏罚赏罚器中完成的。比来,随着SoC手艺的生长,可以在CMOS传感器中集成图象预处置赏罚赏罚功效.这正显示了CMOS图象传感器的优势所在。

图象的预处置赏罚赏罚主要网罗了弱点修改、去除FPN噪声、色彩差值,图象锐化差值、光圈修改、Gamma修改等一系列处置赏罚赏罚。

经由历程数字图象处置赏罚赏罚算法来完成来完成上述的图象预处置赏罚赏罚历程,其硬件平台可以是集成在SoC中的图象处置赏罚赏罚电路、ASIC图象处置赏罚赏罚芯片,或通用的DSP芯片。首先是扫除图象中的弱点,假定某一个像素中有弱点,而招致了其输入电平被钳位于高电乎(黑点)或低电平(白点),就须要经由历程图象处置赏罚赏罚来阻拦填补。通常是应用其周围类似色彩像素的匀称值来取代该像素的输入值。

通常情形下,不合列的列模/数转换器存在着差异,这就招致了却真相势噪声(fixed Pattern Noise,FPN)的发生。图4中Black Lines中的数据就是用来扫除FPN的。协处置赏罚赏罚器会应用这一部门数据来到达扫除FPN的目的。

由于每个像素上为某种玄色滤光片,以是要经由历程色彩差值来取得其他两种色彩信息。Gamma修改是为了扫除在电学器件和光学器件之间在旌旗暗记传输上的非线性效应。

从以上的图象处置赏罚赏罚历程可知,许多算法中应用了差值,这就招致了图象的腻滑化,而为了恢复尖锐的图象,就须要阻拦光圈修改。在图象处置赏罚赏罚中,经由历程边缘检测而取得的锐化边缘对差值后的腻滑图象阻拦卷积,从而取得尖锐的图象。

3 结语

为了前进CMOS图象传感器的图象质量,经由历程对图象主要的噪声源和图象掉落真的剖析,本文提出了一种新型的CMOS有源像素图象传感器。该CMOS图象传感器应用4T有源像素,年夜年夜前进了图象传感器的迅速度。经由历程在传感器中集成图象预处置赏罚赏罚功效,对刷新图象的质量起到了很好的效果。

作者:未知 泉源:互联网
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