CMOS摄像机的原理与应用

作者简介：杨吉平（1983—），女，硕士研究生，研究方向为信号处理理论与应用；张建民（1954—），男，教授，硕士生导师，研究方 向为信号处理理论与应用.
第 18 卷
第3期
杨吉平等：CMOS 摄像机的原理与应用
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1.1
CMOS 图像传感器
基本结构 CMOS （互补性金属氧化物半导体）在微处 理器、 闪存和 ASIC （特定用途集成电路）的半 导体技术中占有重要地位。 最基本的 CMOS 图像 传感器是以一块杂质浓度较低的 P 型硅片作衬 底， 用扩散的方法在其表面制作两个高掺杂的 N+ 型区作为场效应管的源极和漏极， 再在硅的表 面用高温氧化的方法覆盖一层二氧化硅的绝缘 层， 并在源极和漏极之间的绝缘层上方镀上一层 金属铝， 作为场效应管的栅极。 最后， 在铝层上方 连接一个光电二极管， 这样就构成了最基本的 CMOS 图像传感器。 随着光电技术及其相关科学技术的发展， 固 体 图 像 传 感 器 已 从 CCD 发 展 到 CMOS 。而 CMOS 图像传感器从开始的无源像素系统 PPS， 发展到有源像素系统 APS。 无源像素单元 PPS 结 构简单， 像素填充率高， 量子效率比较高， 但读出 噪声比较大， 而且随着像素个数的增加， 读出速 率加快， 读出噪声随之变大。 而 APS 结构的像素 内部包含一个有源的放大器， 具有放大和缓冲功 能以及良好的消噪功能。 同时由于电荷信号不需 要像 CCD 器件那样经过远距离移位到输出放大 器， 避免了所有与电荷转移有关的 CCD 器件的 缺陷。 PPS 结构和 APS 结构如图 1 和图 2 所示。
Principle of CMOS camera and its application
YANG Ji-ping 1a， ZHANG Jian-min1b
（ 1. Tianjin University of Technology and Education， a. Department of Mechanical Engineering， b. Department of Electronic Engineering， Tianjin 300222， China） Abstract ： CMOS camera can integrate all electric circuits of camera function on a CMOS image sensor chip， which has the advantages of simple structure, high integration, low power loss and cost, and has been widely used in science， military ， medicine， industry ， defense， film television， and other fields.The operation principle， structure， classification of the CMOS camera as well as its application to basic facilities and medical domain are introduced， and its development tendency is forecast. Key words： CMOS camera； CMOS image sensor； CCD
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CMOS 摄像机的应用
摄像机是图像采集系统中非常重要的部分。 传统的 CCD 图像采集系统具有速度慢、 功能简 单、 体积大、 功耗大等缺点， 不能满足日益发展的 机器视觉应用的需要， 尤其是在一些新型应用领 域， 如嵌入式视觉、 智 能 监 控 等 方 面 的 需 要 。但 CMOS 图像采集系统具有功能丰富、 预处理能力 强、 接口灵活和扩展方便等优点， 可以满足图像 检测、 远程监控、 会议电视、 道路交通管理等诸多 视频图象处理与传输领域应用的需求。 下面介绍 CMOS 摄像机在交通管理和医疗方面的应用。
目前， 可见光固体图像传感器主要有 CCD 图像传感器和 CMOS 图像传感器。 经过近 30 年 的发展， CCD 图像传感器技术已发展成熟， 并以 其高灵敏度、 低噪声和宽动态范围等特点， 至今 仍占据着高性能可见光图像传感器的主要市场。 但由于 CCD 图像传感器存在多电压、 高功耗、 低 速度、 难与 CMOS 集成等缺点， 也限制了它的应 用， 特别是在低功耗和便携式的移动设备中。 CMOS 图像传感器是继 CCD 之后的新一代产 品， 恰恰克服了上述缺点而备受关注。 与 CCD 相比， CMOS 传感器最明显的优势 是器件结构简单、 体积小、 功耗低、 性价比高、 易
3.1 主动式安全系统 电子产品设计人员希望能超越政府强制执行 的被动式安全防护系统而开发出能首先帮助驾驶 员避免事故的主动式安全系统。 由此一种安全设 施被开发出来， 即沃尔沃的盲点信息系统。 它在 每一个侧视镜的下方安装一个密集图像阵列摄像 机， 不断监视车辆两侧和后面这些盲区的情况， 当有汽车进入监视区内时， 就由车窗框上的一个 三角形区域中的 LED 向车辆驾驶员发出警示。 另一种产品是道路偏离警告（ lane departure warning ， LDW ）系统， 对由于疲倦或疏忽不 小心驶入旁边车道的驾驶员很有用。 LDW 系统 由一个微型的手掌大小的 CMOS 摄像机、 一台 计算机及其软件组成， 安装在后视镜支杆和前挡 风玻璃之间。 它可以看到车辆前方 25 m 远处以 跟踪道路标记， 并把信息反馈到计算机。 利用这 些数据、 图像处理软件以及专用算法， 计算机计 算出道路标记之间的距离以及偏离道路标记的 横向距离。 如此一来， 当车辆驶出车道外时， 它 可经由仪表板指示灯和可听蜂鸣器向驾驶员发 出警告。 视频车辆检测器 Traficon 在中国市场新推出 TrafiCam 一体 化路口视频车辆检测器， 因其简单、 易用、 性价比 高， 受到市场青睐。 TrafiCam 是将 CMOS 摄像机 和检测器集成在一起的传感器， 可安装在信号灯 杆上， 代替地感线圈， 为路口信号机提供触发信 号， 并检测是否存在向路口行驶或停驶在路口的 3.2
组成 摄像机的种类很多， 外形也不同， 但它们的 基本组成和内部结构都是相似的。从外形上看， 一般都是由光学镜头、 光电转换电路、 录像机、 寻 像器、 输入输出单元及附件组成。其中光电转换 器件（感光芯片）是摄像机的核心部件。 目前， 摄像机常用的感光芯片有 CCD 和 CMOS 两种。 按 感 光 芯 片 可 将 摄 像 机 划 分 为 CCD 摄 像 机 和 CMOS 摄像机； 按输出图像信号格式可划分为模 拟摄像机和数字摄像机； 按像元排列方式可划分 为面阵摄像机和线阵摄像机。 由于 CMOS 器件具有非常高的输入阻抗和非 常低的静态功耗， 电源电压范围宽， 驱动与抗干 扰能力强， 便于集成， 读出方式灵活并采用标准 工艺制作， 且其品质可随着半导体技术的进步而 提升， 所以目前均采用 CMOS 作为图像传感器。 CMOS 摄像机的最大特点是在单块 CMOS 传感器芯片上能集成所有摄像功能的电路。 与 CCD 摄像机相比， CMOS 摄像机具有帧速高、读 取速度快的优点， 但在图像质量与灵敏度方面却 低于 CCD 摄像机。 CMOS 摄像机按输出图像信 号格式可以分为 CMOS 模拟摄像机和 CMOS 数 字摄像机。 CMOS 模拟摄像机主要应用在闭路监 控、 工业监控、 可视门铃、 汽车后视、 视觉玩具和 消防类电子产品方面， 这类器件连接监控的 AV 端口即可看到图像， 通过图像捕捉卡也可将图像 输入到计算机；而 CMOS 数字摄像机主要应用 在图像识别、 可视电话、 数码相机、 PC 多媒体技 术等方面。 2.2 工作原理 CMOS 摄像机能把拍摄物的光信号转变为电
图2
APS 结构图
随着 CMOS-APS 技术及降噪技术的进步， 近几年又开发出 CMOS-DPS（数字像素系统）， 如图 3 所示。 CMOS-DPS 的单个像素由 APS 像
图4
CMOS 图像传感器工作原理框图
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天
津
工
程
Hale Waihona Puke Baidu
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学
院
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2008 年 9 月
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2.1
CMOS 摄像机
信号， 再将标准信号送到录像机等记录媒介上记 录下来， 或通过传播系统传播或送到监视器上显 示出来。
素单元、 模拟数字转换（ A/D）、 数字存储器和相 关双取样（ CDS）电路等组成。 CMOS-DPS 不像 CMOS-PPS 和 CMOS-APS 的 A/D 转换在像素外 进行， 而是将 A/D 转换集成在每一个像素单元 里， 使每一像素单元输出的是数字信号， 而成像 系统控制着每个像素的最佳采样时间， 在每个像 素达到最佳状态时存储像素信息。 在所有像素被 采集后， 再送到系统的 DSP 进行处理， 最终形成 高 质 量 的 图 像 。CMOS-DPS 摄 像 系 统 克 服 了 CMOS 摄像机的缺点， 而优于 CCD 摄像机。
图3
DPS 组成框图
1.2
工作原理 CMOS 图像传感器的工作条件是必须在其 P
图1
PPS 结构图
型硅衬底和源极接电源负极， 漏极接电源正极。 当无图像光信号照射到光敏二极管上时， 源极和 漏极之间无电流通过， 因此无信号输出。 当有图 像光信号照射到光敏二极管上时， 光敏元件的价 带电子获得能量激发跃迁到导带而形成图像光电 子， 因而在源极和漏极之间形成电流通路而输出 图像电信号。 显然， 入射图像光信号越强， 在光敏 材料中激发的导电粒子越多， 使源极、 漏极之间 的电流越大， 输出信号越大。 所以， 输出信号的大 小直接反映了入射光信号的强弱。 具体来说， CMOS 图像传感器是基于电荷存 储的工作原理， 即 PN 结反向充电， 然后在光照 条件下放大， 放电速度随光照强度的不同而不 同。 经过一定时间的放电， 每个像素保留的电荷 不同， 这样就实现了光电转换， 把图像信号由光 学系统聚焦在 PN 结像素阵列表面， 逐一扫描像 素阵列， 就能得到一幅图像的电信号。 CMOS 图 像传感器工作原理框图如图 4 所示。
第 18 卷 第 3 期 2008 年 9 月
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报
JOURNAL,OF,TIANJIN,UNIVERSITY,OF,TECHNOLOGY,AND,EDUCATION
Vol.18 No.3 Sep. 2008
CMOS 摄像机的原理与应用
杨吉平 1a，张建民 1b
（ 1. 天津工程师范学院， a. 机械工程学院， b. 电子工程系，天津 300222）
摘
要 ： CMOS 摄像机是能在同一 CMOS 图像传感器芯片上集成所有摄像机功能电路的摄像机。 其
具有结构简单、 集成度高、 功耗小、 成本低的优点， 已广泛应用于科学、 军事、 医疗、 工业、 国防、 影视 等领域。 文章对 CMOS 摄像机的工作原理、 结构、 分类以及在基础设施和医疗领域的应用进行了介 绍， 并对其发展趋势进行了展望。 关键词 ： CMOS 摄像机；CMOS 图像传感器；CCD 中图分类号 ： TN948.41 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1673－ 1018（ 2008） 03－ 0036－ 04
收稿日期：2008－04－22 基金项目：劳动和社会保障部科技发展项目（LB200503）.
于控制， 它已广泛应用于各种通用成像系统中。 由于 CMOS 传感器像素尺寸小， 具有较高的集成 度， 甚至可以将模数转换和控制芯片集成在一 起， 图像数据不必在复杂的电路中传来送去， 因 此极大地提高了捕获信息的速度。 此外， CMOS 的功耗只相当于 CCD 功耗的 1/8， 利用 CMOS 传 感器的诸多优点， 生产商制造出了微型化、 智能 化成像产品， 同时开拓了许多新的应用领域， 如 嵌入式移动电话、 手持电脑和 PDA 的数字摄像 机 、医 疗 诊 断 以 及 保 安 监 视 场 合 的 隐 形 摄 像 机等。 本文对 CMOS 摄像机的工作原理及其在交 通管理和医疗领域的应用进行介绍。