cmos图像传感器课件PPT文件格式下载.pptx

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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，,图2.CMOS图像传感器阵列原理示意图,2.图像信号的输出过程,二、CMOS图像传感器的组成,三、CMOS图像传感器的像敏单元结构,CMOS图像传感器的像敏单元结构有两种类型，即被动像敏单元结构和动像敏单元结构。

1.被动式像敏单元结构：

只包含光电二极管和地址选通开关,图3.CMOS像敏单元结构,图4.图像信号的读出时序,三、CMOS图像传感器的像敏单元结构,被动式像素结构（PassivePixelSensor.简称PPS），又叫无源式。

它由一个反向偏置的光敏二极管和一个开关管构成。

光敏二极管本质上是一个由P型半导体和N型半导体组成的PN结，它可等效为一个反向偏置的二极管和一个MOS电容并联。

当开关管开启时，光敏二极管与垂直的列线（Columnbus）连通。

位于列线末端的电荷积分放大器读出电路（Chargeintegratingamplifier）保持列线电压为一常数，当光敏二极管存贮的信号电荷被读出时，其电压被复位到列线电压水平，与此同时，与光信号成正比的电荷由电荷积分放大器转换为电荷输出。

2.主动式像敏单元结构基本电路如图5所示。

从图可以看出，场效应管V1构成光电二极管的负载，它的栅极接在复位信号线上，当复位脉冲出现时，V1导通，光电二极管被瞬时复位；

而当复位脉冲消失后，V1截止，光电二极管开始积分光信号。

图6所示为上述过程的时序图，其中，复位脉冲首先来到，V1导通，光电二极管复位；

复位脉冲消失后，光电二极管进行积分；

积分结束后，V3管导通，信号输出。

图5.主动式像敏单元结构的基本电路,图6.主动式像敏单元时序图,三、CMOS图像传感器的像敏单元结构,主动式像素结构（ActivePixelSensor.简称APS），又叫有源式，几乎在CMOSPPS像素结构发明的同时，人们很快认识到在像素内引入缓冲器或放大器可以改善像素的性能，在CMOSAPS中每一像素内都有自己的放大器。

集成在表面的放大晶体管减少了像素元件的有效表面积，降低了“封装密度”，使40%50%的入射光被反射。

这种传感器的另一个问题是，如何使传感器的多通道放大器之间有较好的匹配，这可以通过降低残余水平的固定图形噪声较好地实现。

由于CMOSAPS像素内的每个放大器仅在此读出期间被激发，所以CMOSAPS的功耗比CCD图像传感器的还小。

三、CMOS图像传感器的像敏单元结构,五、CMOS与CCD图像传感器性能比较,性能指标,CMOS图像传感器,ISO感光度分辨率噪点暗电流（PA/M2）电子-电压转换率动态范围响应均匀性读出速度（Mpixels/s）偏置、功耗工艺难度信号输出方式集成度应用范围性价比,低低高10100大略小较差1000小小xy寻址，可随机采样高低端、民用高,CCD图像传感器高高低10略小大好70大大顺序逐个像元输出,低高端、军用、科学研究略低,六、典型CMOS图像传感器,1.成像器件的原理结构SXGA型是CMOS图像传感器的主要部分，其原理结构如图8所示。

图8.SXGA型图像传感器原理结构图,SXGA型CMOS成像器件像敏区的结构如图9所示。

该器件的像敏单元总数是12861030个，其中在每行和每列的起始端及末尾端各有3个像元为虚设单元。

图9.SXGA型图像传感器的像敏区结构,六、典型CMOS图像传感器,图10.SXGA型图像传感器的光谱响应特性曲线,六、典型CMOS图像传感器,SXGA型CMOS成像器件的输出特性如图11所示。

曲线的线性段的动态范围仅为66dB。

若采用对数放大器，动态范围可达到100dB。

2.输出放大器图12所示为SXGA型CMOS成像器件输出放大器电路原理框图，主要由三部分,组成。

六、典型CMOS图像传感器,四、CMOS图像传感器的性能参数,1、光谱响应特性、量子效率2、填充因子填充因子3、输出特性和动态范围随着输出模式不同，有四种动态范围：

线性输出：

适合连续测量、动态范围小、S/N高双斜率模式:

扩大动态范围对数模式：

动态范围大校正模式：

U=KeE4、噪声光敏元噪声：

热噪声、散粒噪声、g-r噪声、电流噪声MOS噪声工作噪声：

复位噪声、空间噪声5、空间传递函数,图13.增益调节规律,图14.增益对带宽的影响,六、典型CMOS图像传感器增益可调的放大器可按指数规律控制，如图13所示。

控制增益的信号为4位编码信号，即可选择的增益有8种，增益在5.3317.53之间可调。

输出放大器的输出/输入特性曲线如图15所示。

图15.输出-输入特性曲线,六、典型CMOS图像传感器,3.A/D转换器A/D转换器的输出/输入间的关系曲线如图16所示。

图16.模-数转换器的输出特性,六、典型CMOS图像传感器,数码相机传感器尺寸,感光元件的尺寸（传感器对角线的长度）是影响成像表现力的硬指标之一格式长度（mm）宽度（mm）对角线面积,数码相机的像素:

相机像素是衡量数码相机质量的标准之一常被消费者视为选购数码相机时的考核重要指标，许多消费者也因此走进了高像素的误区，盲目地追求高像素，将像素看成了衡量数码相机质量的惟一标准。

拍摄图像的像素数取决于相机内CCD或者CMOS芯片上光敏单元的数量，理论上，光敏单元越多，拍摄到的影像就会越清晰。

但是由于数码相机感光元件的面积比传统胶片的面积小很多，在有限的芯片面积上增加过多的光敏单元会出现很多问题，例如图像信噪比降低、感光度降低等,单反相机一般采用的是大尺寸的APS-C画幅感光元件，而有些卡片相机采用的是1/2.3英寸感光元件，虽然它们可能都拥1800万像素，但是区别在于二者的单个像素宽度不同。

APS-C画幅、1800万像素感光元件的每一个像素宽约为4.3微米，而1/2.3英寸、1800万像素感光元件的每一个像素宽约有1.68微米。

单个像素越宽代表每个像素点的面积越大，通常情况下像素点的面积越大其捕捉的光子越多，感光性能越好，越不容易产生噪点。

而像素点面积越小，所获得的信息量自然也就少了，,数码相机传感器尺寸,数码相机的焦距,光动来放大与缩小需要拍摄的景物，光学变焦倍数学变焦：

相机依靠光学镜头结构来实现变焦。

通过镜片移越大，能拍摄的景物就越远，对于变焦性能不强的相机来对比，调整焦距的远程拍摄也相对清晰一些。

数码变焦:

把图片内的每个象素面积增大，从而达到放大目的。

一台相机的最小焦距越小，它的广角拍摄范围就越大，有利于拍摄大场面，而最大焦距越大则远摄能力越强。

拍照手机,，构成要素包括传感器、镜头、镜头支架、软硬板等，,传感器对光线感受的能力，感光度越高（也就是ISO值越高）时，拍摄时所需要的光线就越少，感光度越低时，对拍摄时所需要的光线就越多。

数码相机的ISO是通过两种方式实现的：

1、强行提高每个象素点的亮度和对比度；

2、使用多个象素点共同完成原来只要一个象素点来完成的任务。

数码相机提升ISO以后对画质的损失是很大的，,相机的感光度ISO,相机的感光度ISO,感光度对拍照的影响：

一是速度，更高的感光度能获得更快的快门速度，二是画质，越低的感光度带来更细腻的成像质量，而高感光度的画质则是噪点比较大。

（噪点主要是指传感器将光线作为接收信号接收并输出的过程中所产生的图像中的粗糙部分，也指图像中不该出现的外来像素，通常由电子干扰产生。

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