CMOS相机成像实验技术文档格式.docx

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二、实验的目的

1.掌握CMOS图像传感器的工作原理

2.熟悉CMOS相机的整体工作过程

3.了解CMOS相机的中单片机如何控制

三、实验的时间分配

8个学时

四、实验地点

电子信息工程专业基础实验室

五、实验内容与要求

一）实验要求

1.理解CMOS图像传感器的工作原理

2.熟悉CMOS相机的整体工作过程

3.了解CMOS相机的中单片机如何控制

二）实验内容

1．CMOS图像传感器的工作原理

CMOS是互补金属氧化物半导体器件，它的光电转换功能与CCD相似，区别主要在于光电转换后信息传送的方式不同。

CMOS具有信息读取方式简单、输出信息速率快、耗电省、体积小、重量轻、集成度高、价格低等特点，是未来数码相机理想的成像芯片。

但要在成像质量，仍有很长的路要走。

目前数码相机多采用CCD面阵光电转换器件，由于其制造成本很高，而且由于数码相机的制造商大多采用专用的CCD，所以其价格一直居高不下。

近几年，CMOS面阵光电转换器件得到发展，这对开发实用、价廉、小体积的数码相机非常有用。

CMOS器件与CCD相比，CMOS很容易与A/D电路、数字信号电路等电路集成在一起，CMOS芯片生产成本低，成品率高，并且明显降低了功耗。

此外，CCD只能单一地锁存落到成千上万的采样点上的光线的状态，而CMOS则可以完成其他许多功能，如模/数转换、负载信号处理、白平衡处理及像机控制等，还有可能在不会大幅度提高成本的前提下增加CMOS的密度和位深度。

鉴于上述原因，很多业界分析家认为，将来终究有一天，所有的低档数码相机都将是基于CMOS器件的。

目前CMOS成像器件在解像度和色彩还原方面还不尽如人意，图像有噪声，准确捕获动态图像的能力还不强。

现在全面的改善电路设计、器件结构和工艺流程，我们相信CMOS图像芯片的质量指标是可以进一步改善并达到CCD图像质量水平的。

CMOS图像传感器的原理如图1－1所示，通常由像敏单元阵列、行驱动器、列驱动器、时序控制逻辑、AD转换器、数据总线输出接口、控制接口等几部分组成，这几部分通常都被集成在同一块硅片上。

图1－2中所示的像敏单元数组按X方向和Y方向排列成方阵，方阵中的每一个像敏单元都有它在X，Y各方向上的地址，并可分别由两个方向的地址译码器进行选择：

每一列像敏单元都对应于一个列放大器，列放大器的输出信号分别接到由X方向地址译码控制器进行选择的模拟多路开关，并输出至输出放大器；

输出放大器的信号送给A/D转换器进行模数转换，经预处理电路处理后通过接口电路输出。

图1－1CMOS图像传感器组成原理框图

图1－2CMOS图像传感器信号输出过程示意图

图像信号的输出过程可由图像传感器像元数组原理图更清楚地说明，如图1－2所示。

在Y方向地址译码器（移位寄存器）的控制下，依次序接通每行像敏单元上的模拟开关（图中的晶体管），信号将通过行开关传送到列线，再通过X方向地址译码器（移位寄存器）的控制，传送到放大器。

由于设置了行与列开关，而它们的选通是由两个方向的地址译码器上所加的控制信号决定的。

因此，通过采用X和Y两个方向的移位寄存器就可以实现逐行扫描或隔行扫描的信号输出方式。

当然也可以通过只输出某一行或某一列的信号，使其按着与线阵CCD相类似的方式工作。

实际上，CMOS图像传感器更确切地说应当是一个图像系统。

一个典型的CMOS图像传感器通常包含有一个图像传感器核心（是将离散信号电平多路传输到一个单一的输出，这与CCD图像传感器很类似）、所有的时序逻辑、单一时钟、芯片内的可编程功能比如增益调节、积分时间（integrationtime）、开窗口（windowing）和模数转换器。

事实上，当一位设计者购买了CMOS图像传感器后，它得到的是一个包括图像阵列逻辑寄存器、存储器、定时脉冲发生器和转换器在内的全部系统。

与传统的CCD图像传感器相比，把整个图像系统集成在一块芯片上，不仅降低了功耗，而且具有重量较轻，空间占用减少以及总体价格更低的优点。

2．本CMOS相机的整体工作过程

本设计CMOS照相机的整体结构框图见图1－3，本文将其分为三个模块来说明：

CMOS传感器外围电路图1－4、存储电路图1－5、单片机控制及接口电路图1－6和1－7。