CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor�圖像傳感�出現(xiàn)�1969�,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�(zhuǎn)換器�存儲�、數(shù)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�傳感��,它�(jié)�(gòu)簡單、處理功能多、成品率高和價格低廉,有著廣泛的�(yīng)用前景�
?�?)光照特�
CMOS傳感器的主要�(yīng)用也是圖像的采集,也要求能夠適應(yīng)更寬的光照范�。因此也必須采用非線性的處理方法和自動調(diào)整曝光時間與自動增益等處理方法。結(jié)果與CCD相機一樣損失了光電�(zhuǎn)換的線�,正因為此項,它也受限于灰度的測��
?�?)輸出特�
CMOS圖像傳感器的突出�(yōu)點在于輸出特�,它可以部分輸出任意區(qū)域范圍內(nèi)的圖像。(并非所有CMOS傳感器都具有這個功�,如果生�(chǎn)廠家沒有給您提供)這個特性在跟蹤、尋�、搜索及室外拍照等的�(yīng)用前景非常之�。也是CCD傳感器所無法辦到的�
?�?)光譜響�(yīng)
光譜響應(yīng)受半導體材料限制,同種硅材料的光譜響�(yīng)基本一�,與CCD的光譜響�(yīng)基本一��
?�?)光敏單元的不均勻�
光敏單元的不均勻性是CMOS圖像傳感器的弱項,因為它的光敏單元不像CCD那樣嚴格的在同一硅片上用同樣的制造工藝嚴格制�,因此遠不如CCD的光敏單元的一致性好,但是它�(nèi)部集成單元多,處理能力強能夠彌補這個缺��
完整� CMOS 攝像器件包含如圖 1 所示的各功能塊。下面分別介紹各功能塊的作用�
1 敏感元件陣列陣列中的每個像素如� 2 所� ,工作過程如下:
(1)首先進入“復位狀�(tài)� ,此時打開門� M ,電容被充電至 V r ,二極管處于反向狀�(tài);(2)然后進入“取樣狀�(tài)�。這時�(guān)閉門� M ,在光照下二極管產(chǎn)生光電流 ,使電容上存貯的電荷放� ,�(jīng)過一個固定時間間隔后 ,電容 C 上存留的電荷量就與光照成正比� ,這時就將一幅圖像攝入到了敏感元件陣列之中了;(3) 進入“讀出狀�(tài)�。這時再打開門管M ,逐個讀取各像素中電� C上存貯的電荷電壓�
2 靈敏放大�
在敏感元件陣列中 ,各像素上反映光強的電荷量(電壓信號) ,是一個很弱的電信� ,必須進行放大 ,所以要求放大器不僅要十分靈� ,而且具有低的噪聲�
3 陣列掃描電路
水平移位寄存器可完成水平方向的掃� ,利用� ,可以實現(xiàn)從左向右或從右向� ,依次讀出某行中各列像素中的電信�。垂直移位寄存器可完成垂直方向的掃描 ,利用� ,可以實現(xiàn)從上向下依次讀出每行各像素中的電信� ,從而實�(xiàn)了對一幅圖像信息的掃描。為了輸出到外電� ,還要通過輸出放大� ,以提高驅(qū)動能��
4 控制電路
為了獲得�(zhì)量合格的實用攝像� ,芯片中必須包含各種控制電� ,如曝光時間控�、自動增益控制及 r 校正��
5 時序電路
為了使芯片中各部分電路按�(guī)定的節(jié)拍動� ,必須使用多個時序控制信�。為了便于攝像頭的應(yīng)� ,還要求該芯片能輸出一些時序信� ,如同步信�、行起始信號、場起始信號��
6 性能特點
由于 CCD 圖像傳感器的制造工藝與 CMOS集成電路的制造工藝兼� ,所以用 CCD圖像傳感器作光電�(zhuǎn)換陣列時 ,除敏感元件陣列外 ,攝像頭所必須的其他電� ,都只能制作在其余的集成電路芯片上�
正因為如� ,� CCD 攝像頭相� ,CMOS攝像頭具有功耗低、集成度高、價格低�、體積小和使用方便等�(yōu)點�
1 微型攝像�
在很多應(yīng)用場� ,隱蔽攝像機必須大大縮小攝像機的體� ,采用 CMOS圖像傳感器可方便地做到這一�。目前國�(nèi)市場上銷售的DV - 5016 型微型黑白攝像機(16 mm×16 mm×12 mm) ,其功耗只�50 mW ,配以高效可充電電� ,即使全天候工� ,也不會電路過熱和圖像�(zhì)量變差。近來推出中分辨率的CMOS黑白微型攝像� ,其靈敏度可達0. 1 lx ,圖像清晰度可等同� CCD攝像機的�
目前可視門鈴或可視電話都是 CCD 非隱蔽式�。隨著治安要求不斷提� ,為確保門外或室內(nèi)外的攝像系統(tǒng)不被識破而遭到破� ,在室�(nèi)外安裝隱蔽式攝像系統(tǒng)將成為家用消費系�(tǒng)的一種趨�。對于CMOS微型攝像� ,只要配有管狀鏡頭 ,就能達到隱蔽而難被破壞的目的�
微型 CMOS攝像機的各種配置已在汽車尾視、內(nèi)� —Tax 司機的監(jiān)視系�(tǒng)、塔吊起�、汽車防�、電梯監(jiān)�、超市防�、銀行監(jiān)�、焦點采訪、監(jiān)�、輯私等許多�(lǐng)域中得到�(yīng)用。由于其安裝簡便、使用方便、自動啟�、自動錄�、費用低 ,使其�(yīng)用也越來越廣��
2 CMOS�(shù)字攝像機
美國 Omni Vison 公司最近推出的� OV7610� CMOS彩色�(shù)字圖像芯片和 OV511 型攝像機以及 USB 接口芯片所組成� USB 攝像� ,其分辨率高達 640 ×480 ,適用于通過通用串行總線傳輸?shù)囊曨l系統(tǒng)�
OV511 型攝像機的推� ,可使� PC 機能以更加實時的方法獲取大量視頻信息 ,其壓縮芯片的壓縮比可以達� 7 :1 ,從而保證了圖像傳感器到PC機的快速圖像傳�。對于CIF圖像格式 ,OV511型可支持高達 30 幀/秒的傳輸速率 ,減少了低帶寬�(yīng)用中通常會出�(xiàn)的圖像跳動現(xiàn)�。OV511 型作為高性能� USB 接口的控制器 ,它具有足夠的靈活� ,適合包括視頻會議、視頻電子郵�、計算機多媒體和保安�(jiān)控等場合�(yīng)��
當它� OV7610 � CMOS 彩色�(shù)字圖像傳感器�(jié)合起� ,可作成適用于所� PC 機視頻輸入應(yīng)用的完美的低價位、高�(zhì)量的 USB 攝像機�
3 �(shù)碼相�
人們使用膠卷照相機已經(jīng)上百年了 ,20 世紀 80年代以來 ,人們利用高新技�(shù) ,�(fā)展了不用膠卷的CCD�(shù)碼相� ,使傳�(tǒng)的膠卷照相機�(chǎn)生了根本的變�。電可寫可控的廉價快�( Flash) ROM 的出�(xiàn) ,以及低功�、低價位� CMOS攝像頭的問世 ,為數(shù)碼相機打開了新的局� ,如圖 3 所示。從� 3 可以看出 ,�(shù)碼相機的�(nèi)部裝置已�(jīng)和傳�(tǒng)照相機完全不同了 ,彩色 CMOS 攝像頭在電子快門的控制下 ,攝取一幅照片存� DRAM � ,然后再轉(zhuǎn)至快閃ROM中存放起�。根�(jù)快閃 ROM 的容量和圖像�(shù)�(jù)的壓縮水� ,可以決定能照片的張數(shù)。如果將ROM換成 PCMCIA� ,就可以通過換卡 ,擴大�(shù)碼相機的容量 ,這就像更換膠卷一� ,將數(shù)碼相機的�(shù)字圖像信息轉(zhuǎn)存至 PC 機的硬盤中存� ,這就大大方便了照片的存貯、檢�、處理、編輯和傳��
4 手表式攝像機
英國布里斯托爾惠普研究實驗室的一個研究小組研制出新型手表式攝像機。這種攝像機利用單個芯片來實現(xiàn)攝像機所需的大部分功能 ,能置于手表中來處理和顯示所拍攝的靜止或運動圖像�
這種芯片同時獲取和處理圖� ,還可與手表或移動電話等共享電�。利用特殊的端口 ,新型攝像機還可與�(xiàn)有攝像機或電視相�。據(jù)英國布里斯托爾惠普研究室的研究人員介� ,將來通過增加紅外線或無線電通信端口 ,手表式攝像機還有可能直接從個人電腦或電視機中下載圖��
5 影像掌上電話
日本東京陶瓷公司研制出臺蜂窩式彩色影像掌上電話系�(tǒng)( PHS) 。這款新型電話配備英寸(1 英寸等于 2. 54 厘米)薄膜晶體管液晶顯示屏�( TFT LCD) � 11 萬像素的 CMOS 圖像傳感� ,每秒可傳送或接收兩個畫面及聲音。該電話零售價低� 4 萬日�(� 325 美元) �
6 其他�(yīng)用和市場
CMOS圖像傳感器是一種多功能傳感� ,由于它兼� CCD 圖像傳感器的性能 ,因此可進入 CCD的應(yīng)用領(lǐng)� ,但它又有自己獨特的優(yōu)� ,所以為自已開拓了許多新的應(yīng)用領(lǐng)域。目前主要應(yīng)用是保安�(jiān)控系�(tǒng)� PC攝像機�
除了上述主要�(yīng)用之� ,CMOS圖像傳感器還可應(yīng)用于�(shù)字靜�(tài)攝像機和�(yī)用小型攝像機�。例� ,心臟外科�(yī)生可以在患者胸部安裝一個小“硅眼� ,以便在手�(shù)后監(jiān)視手�(shù)效果 ,CCD 就很難實�(xiàn)這種�(yīng)用�
在CMOS 圖像傳感器中 ,由于集成了多種功� ,使得以往許多無法運用圖像技�(shù)的地� ,能夠廣泛地應(yīng)用圖像技�(shù)。例如帶照相機的移動電話、指紋識別系�(tǒng)、嵌入在顯示器和膝上型電腦顯示器中的攝像機、一次性照相機��
1 低壓�(qū)動掩埋光電二極管型CMOS圖像傳感�
CMOS圖像傳感器在低照度下成像�(zhì)量一直不如CCD,因而提高圖像質(zhì)量是CMOS圖像傳感器開�(fā)的重�。東芝采用掩埋光電二極管新型�(jié)�(gòu),降低了漏泄電流,在低壓下也能確保無電荷殘余地完全讀�,實�(xiàn)了與CCD攝像器件同等的高�(zhì)量圖像�
2 低噪聲高畫質(zhì)CMOS圖像傳感�
索尼采用獨特�"DRSCAN"噪聲消除技�(shù)和抑制暗電流�"HAD"�(jié)�(gòu),成功地試制出低噪聲高畫�(zhì)1/3英寸33萬像素CMOS圖像傳感器,并計劃盡快實�(xiàn)商品��
獨特�"DRSCAN"(Dot Sequential Readout System with Current Amplified Signal Output Noise Reduction Circuit)技�(shù)即是在逐點順次讀出每像素信號和噪聲成分的同時,在同一電路中消除晶體管特性不均引起的固定圖形噪聲,這是以前逐行消除難以做到�。為了消除暗電流引起的固定圖形噪聲,還借鑒CCD�"HAD"(Hole accumulation diode)結(jié)�(gòu)。在傳感器表面形成空穴積累層,從而抑制非入射光引起的暗電�。這兩種固定圖形噪聲的降低,使S/N比提高了25�,實�(xiàn)了CMOS圖像傳感器的高畫�(zhì)。而且HAD�(jié)�(gòu)中采用L形門的像素結(jié)�(gòu),使幾乎所有的電子完全�(zhuǎn)�,實�(xiàn)了無拖影圖像信號輸出�
3 高靈敏度CMOS圖像傳感�
日本NEC公司采用0.35 m CMOS工藝技�(shù)研制成功了具有雙金屬光電屏蔽和氮化硅(Si3N4)抗反射膜的深P阱光電二極管�(jié)�(gòu)的CMOS-APS。為了改善器件的靈敏�,NEC公司在研制中采用了深P阱,磷摻雜P型硅襯底,Si3N4、抗反射膜、耗盡晶體�、雙金屬光電屏蔽等新技�(shù)。光入射到常�(guī)光電二極管和新型光電二極管的反射率,前者為20% 30%,后者小�10%。由于入射光反射率的降低,提高了器件的靈敏度。其性能參數(shù)為:光學尺寸�1/3英寸,像素數(shù)�658(H) 493(V),像素尺寸為7.4 m(H) 7.4 m(V),芯片尺寸為7.4mm 7.4mm,填充系�(shù)�20%,飽和信號為770mV。靈敏度�1090mV/Lx.s-1(無微透鏡�,轉(zhuǎn)換增益為30 V/e,動�(tài)范圍�51dB,暗電流�1.5fA/像素�25℃時�,功耗為69mW,電源電壓為3.3V�
4 軌對軌CMOS-APS
美國Photo Vision Systems公司2002�4月開�(fā)出一種高分辨率CMOS圖像傳感�,它具有830萬像素的分辨率(3840 2160�,比高清晰度電視(HDTV)的分辨率高4倍,比標準電視的分辨率高32�。該器件適用于數(shù)字電�,演播室廣播,安�/生物測定�、科學分析和工業(yè)�(jiān)視等�(yīng)用場合。這種超高清晰度電視彩色攝像機可以30幀每秒的速度拍攝2500萬像素的圖像(漸進或隔行掃描�。同�,IBM公司也將這種傳感器集成到一種具�9.2兆像�22.2英寸大小的液晶顯示器中。該傳感器使用了Photon Vision Systems公司的CMOS有源像素圖像傳感器技�(shù),從而使該傳感器的分辨率指標達到甚至超過CCD圖像傳感��
5 單斜率模式CMOS-APS
美國Photon Vision Systems公司采用常規(guī)SOI(silicon-on-insulator)CMOS工藝研制成功了單斜率模式CMOS-APS。像素數(shù)�64 64;像素尺寸為20 m(H) 15 m(V);填充系�(shù)�50%;芯片尺寸為2mm 2mm;幀速為60幀/�。該器件的單個像素由源跟隨器、行選擇晶體管n+-P二極管和復位晶體管等組成。另外我國香港科技大學采用2 mSOI CMOS工藝開發(fā)出了低壓混合�/SOI CMOS有源像素傳感�,在1.2V VDD工作時,暗電流小�50nA/cm2;二極管響應(yīng)率為500mA/W;轉(zhuǎn)換增益為1 V/e-;輸出擺幅大�0.5V;動�(tài)范圍�74dB。采用常�(guī)SOI CMOS工藝制備CMOS有源像素傳感器(CMOS-APS�,是CMOS-APS制備工藝的發(fā)展方向。因為采用該工藝容易獲得低電�、微功耗的CMOS-APS。因�,混合體(hybrid bulk�/SOI CMOS-APS技�(shù)是很有吸引力�。使用SOI CMOS工藝是未來制作CMOS圖像傳感器的理想工藝�
6 CMOS�(shù)字像素傳感器
CMOS圖像傳感器的�(fā)展至今有三大�,即CMOS-PPS、CMOS-APS、和CMOS-DPS(Digital Pixel sensor),而CMOS-DPS是最近兩年才開發(fā)出來��2001�12月Kodak、cadak、Hewlett-packard、Agilent Technolgies和Stanford大學和California大學等采用標準數(shù)字式0.18 m CMOS工藝開發(fā)成功了高幀�(10000幀/�)CMOS�(shù)字像素傳感器。其性能參數(shù)為:像素�(shù)�352 288;芯片尺寸為5mm 5mm;晶體管�(shù)�380萬�;讀出結(jié)�(gòu)�64bit�167MHz);輸出�(shù)�(jù)速率大于1.33GB/s;連續(xù)幀速大�10000幀/�;連續(xù)像素速率大于1Gpixels/s;像素尺寸為9.4 m(H) 9.4 m(V);光電探測器類型為n MOS光電�;每個像素的晶體管數(shù)�37;該器件的單個像素由光電二極�,模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換(ADC)、數(shù)字存儲器和相�(guān)雙取樣(CDS)電路等組成�
CMOS-DPS不像CMOS-PPS和CMOS-APS的模/�(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換是在像素外進行,而是將模/�(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換集成在每一個像素單元里,每一像素單元輸出的是�(shù)字信號,該器件的�(yōu)點是高速數(shù)字讀�,無列讀出噪聲或固定圖形噪聲,工作速度更快,功耗更��
7 寬動�(tài)范圍圖像傳感�
繼CMOS-PPS、CMOS-APS和CMOS-DPS�(fā)展之�,德國西根大學半導體電子學研究所采用0.7 m CMOS工藝、PECVD超高真空系統(tǒng)以及專用集成電路(ASIC)薄膜技�(shù);設(shè)計和制造了寬動�(tài)范圍圖像傳感器。該器件由兩部分組成:即PECVD氫化非晶硅(a-Si:H)薄膜是在超高真空中制成�,而ASIC使用標準CMOS工藝制備。這是繼CMOS圖像傳感器問世之�,同CMOS圖像傳感器一樣已�(jīng)引起人們的重視。薄膜專用集成電路(TFA)圖像傳感器由正面電�、a-Si:H、背面電�、絕緣層和專用集成電路等組成。像素數(shù)�368 256�495 128�1024 108像元,像元尺寸分別為30 m 38 m�10 m 10 m、芯片尺寸分別為16.5mm 14.9mm�16.6mm 12.6mm,動�(tài)范圍�60dB 125dB�
8 APD圖像傳感�
2001�,瑞士聯(lián)邦技�(shù)學院電子學實驗室的Alice Biber和Peter Seitz等人,采�1.2 m標準BiCMOS工藝研制成功了雪崩光電二極管圖像傳感器(APDIS�,每個像素由雪崩光電二極管(APD�、高壓穩(wěn)定電路和圖像讀出電子部件組�。與常規(guī)CMOS有源像素傳感器(CMOS-APS)比�,集成APD像素�(xiàn)存的反饋電阻將由反饋電容代替,放大器的熱噪聲為Vn,amp=30nV/Hz1/2,源跟隨器熱噪聲為Vn,sf=17nV/Hz1/2,C=200fF時(1fF=10-15F�,復位(KT/C)噪聲的計算值為144 V;增益為1�15�,APD的噪聲(i n,APD)分別為3.2 10-33A2/Hz�14.4 10-27A2/Hz。每個球形結(jié)�(gòu)的APD的外部直徑為48 m,像素數(shù)�12 24,芯片尺寸為2.4mm 2.4mm,總的像素尺寸為154 m 71.5 m。用該器件已組裝成了首臺APDIS攝像機,拍攝出了清晰的黑白圖��
維庫電子�,電子知�,一查百通!
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