CMOS 成像芯片介绍

CMOS 成像芯片介绍
• • • • • • • CMOS 芯片结构和功能 像素（Pixel）结构 Color Filter Array 和 Microlens Array 快门模式 （shutter） 性能指标参数 CMOS 与 CCD 的对比 芯片厂商介绍
CMOS 结构和功能
CMOS 结构和功能
像素（Pixel）结构
• APS – Active Pixel Sensor • 由 JPL 的 Eric Fossum 教授发明
像素（Pixel）结构
Color Filter Array 和 Microlens Array
• Color Filter Arrar
– 每一个像素只采集一种颜色信息 – Bayer 格式
– 时域噪声（Temporal Noise）
• 基本噪声 （photon shot noise, reset noise） • 热噪声 （thermal Noise） • 器件噪声 (EMI, ADC…)
– 固定模式噪声（Fixed Pattern Noise FPN）
• 由MOS管的不均匀性造成
CMOS 与 CCD 的对比
CMOS 成像芯片介绍
嘉骏信息科技有限公司 2011/12
CMOS 成像芯片介绍
• The photon will be to the 21st century what the electron was to the 20th“, Sen. Daniel Moynihan, New Yorker, 20.3.2000
快门模式 （shutter）
• 电子全局快门（ Global shutter）
– 1. All the pixels of the imager are reset simultaneously; – 2. The photoflash is fired; – 3. The accumulated charges at each pixel are transferred simultaneously to light shielded storage areas; – 4. The light shielded areas of the imager are read out.
快门模式 （shutter）
• 电子滚动快门（ rolling shutter）
– 1. The integration time of the imager is adjusted so that all the pixels are integrating simultaneously for the duration of the photoflash; – 2. The reset process progresses through the image row by row until the entire imager is reset; – 3. The photoflash is fired; – 4. The imager is read out row by row until the entire imager is read out.
• CCD
– Excellent performances
• Resolution / Speed / Noise / Uniformity (FPN/PRNU)
– Maturity / established market – Technology of choice for
• high-end camcorders and digital still cameras • science, astronomy, medicine, factory automation
• Pixel Array – 像素阵列
– 决定芯片的分辨率 VGA、1M、2M、3M、5M.. – Active Pixel Arrary 有效像素阵列 – 通常有一定的黑边 （Black Row/Column)
• Sequencer – 时序发生器
– 产生像素阵列所需的时序 – 像素Reset，输出时间，采样时间等
• Microlens Array :
– 在每一个像素上都有一个微镜头提高采光效率 （QE）
Bayer 格式
像素示意图
快门模式 （shutter）
• 机械快门
– 1. The integration time of the CMOS imager’s electronic shutter is adjusted so that all the pixels are integrating light at the same time; – 2. The mechanical shutter is opened; – 3. The photoflash is fired; – 4. The mechanical shutter is closed; – 5. The imager is read out.
• Better Quality Low Light Images in CCD Cameras
• Smart functions in CMOS Cameras
• Higher Noise Level: CMOS
芯片厂商介绍
• • • • • Aptina Omnivision Sony Panasonic Altasens
– But
• • • • multiple high supply voltages power consumption not mainstream technology no integrated electronics
CMOS 与 CCD 的对比
• Lower Cost and On-chip integration in CMOS Cameras • Low power usage in CMOS Cameras
性能指标参数
• 分辨率
– CIF 320x240, VGA 640x480, 720p 1280x720 – 1080p 1920x1080 ….
• 像素大小 （Pixel Size）
– 像素越大，感光度（Sensitivity）就越高 – MT9P031: 2.2 微米，OV9712：3 微米， iMX036： 3 微米（？）
• X/Y-addressing – X/Y 寻址
– 行地址和列地址，可以选择输出的窗口（ROI）
• Column Amplifier – 列放大器
CMOS 结构和功能
• Analog Mux – 模拟选择开关
–Fra Baidu bibliotek轮流对像素采样
• ADC – 模数转换
– 精度 10比特，12比特
• Post processing – 图像后处理
– 简单的RAW格式输出 – SOC型，包括 2A，RGB->YUV，甚至JPEG
• Interface - 接口
– 通用并行接口：Pixel clock, LV, FV, data – 串行：MIPI （CSI），Hispi（Aptina）…
像素（Pixel）结构
• 光子打击PN结，将电子能量提高，形成自由 电子，产生电荷
• 动态范围
– 能分辨的最大亮度/底线噪声（Noise Floor） – 受 A/D 比特限制 : 16bit 最大 96dB, 12bit 72dB
性能指标参数
• 信噪比
– 信号/当前信号下的噪声
• 感光度 Sensitivity ( V/(lux*Second) ) • 帧率，时钟频率 • 噪声