CMOS图像传感器第四章CMOS
第4章 数码相机的工作原理
第四章数码相机的工作原理及性能第一节数码相机的电原理框图通过数码相机下面的电原理框图我们就可以了解数码相机的摄影原理上图就是数码相机的主要部件组成和工作原理图。
由图可见，被测景物的光线通过相机的光学镜头传送到CCD图像传感器，CCD将光的强弱光信号转换为相应强度的电量信号再传送至A/D模数转换器，A/D模数转换器再将电量模拟信号转换为二进制数字信号，再传至相机的DSP数字信号微处理器，经过数学处理后的数字信号同时传至相机内部的静态/动态存储器存储和传至图像控制器处理，再由图像控制器将图像数字信号处理后再传至LCD液晶显示器显示被拍摄景物的图像，另外还传至图像压缩器将图像压缩成JPEG等格式后，再传至外接存储卡（闪存卡）以及通过USB连线将图像传至电脑或照片打印机。
由上述可知，数码相机之所以被称为数码相机，其主要道理就是它把二进制数码信号成像，所以称为数码相机。
第二节数码相机的的光电传感器与传统相机相比，传统相机使用“胶卷”作为其记录信息的载体，其原理是胶卷底片上的无数银盐颗粒感光成图像。
而数码相机的“胶卷”就是其成像光电传感器，其原理是光电传感器上的大量光电器件（光电二极管）感光成电图像。
传统相机的底片可以从相机内取出来，但数码相机的光电传感器却是与相机固定一体不可取出的。
光电传感器是数码相机的核心，也是最关键的部件之一。
在数码相机内起着特别重要的作用。
数码相机的发展道路，可以说就是光电传感器的发展道路。
目前数码相机的核心成像部件有两种：一种是广泛使用的CCD（电荷藕合）元件；另一种是新开发的CMOS（互补金属氧化物导体）器件。
⑴ CCD光电传感器CCD光电传感器是电荷耦合器件图像传感器CCD（charge coupled device）. 它是用一种高感光度的半导体材料制成的感光器件，在该器件上集成了数以百万计以上的数目的光电二极管，这些大量光电二极管能各自把接受到的来自被摄景物的不同亮度的光线转变成相应强弱的电荷，这些强弱不同的电荷量再通过A/D模数转换芯片转换为相应大小不同的数字量，最后再由相机内的微处理器将这些数字量处理成像。
CMOS图像传感器
CCD图像传感器
CMOS图像传感器
互补金属氧化物半导体图像传感器 CMOS—Complementary Metal Oxide Semiconductor
CMOS图像传感器,它是一种用传统的芯片工艺方法将光敏元件、 放大器、A/D转换器、存储器、数字信号处理器和计算机接口 电路等集成在一块硅片上的图像传感器件。
c.借鉴 CCD 图像传感器的制备技术，采用相关双 取样电路技术和微透镜阵列技术
d.光敏二极管设计成针形结构或掩埋形结。 e.提高CMOS图像传感器的制作工艺
3、填充系数
CMOS 图像传感器的填充系数一般在 20%~30%之 间，而 CCD 图像传感器则高达 80%以上，这主要是 由于 CMOS 图像传感器的像素中集成了读出电路。 采用微透镜阵列结构，在整个 CMOS 有源像素传感
像素总数是指所有像素的总和，像素总数是衡量 CMOS图像传感器的主要技术指标之一。CMOS图像
传感器的总体像素中被用来进行有效的光电转换并输 出图像信号的像素为有效像素。显而易见,有效像素
总数隶属于像素总数集合。有效像素数目直接决定了 CMOS图像传感器的分辨能力。
3、动态范围
动态范围由CMOS图像传感器的信号处理能力和噪 声决定,反映了CMOS图像传感器的工作范围。参照 CCD的动态范围,其数值是输出端的信号峰值电压与 均方根噪声电压之比,通常用DB表示。
抗辐射性
CCD的光电转换，电荷的激发的量子效应易受辐射 线的影响。CMOS光电转换只由光电二极管或光栅 构成，抗辐射能力较强。
Micron(Aptina Imaging)
Aptina成像公司是CMOS成像解决方案的全球性提供商，
其不断扩大的产品组合被用于所有领先的移动电话和笔 记本电脑品牌。Aptina还提供范围广泛的产品，用于数
CMOS图像传感器原理及应用
随着消费者对高清晰度图像的需求增加，CMOS图像传感器的像素尺寸不断增大，同时分辨率也在逐 步提高。
详细描述
为了满足市场对高清晰度图像的需求，CMOS图像传感器厂商不断推出具有更大像素尺寸和更高分辨 率的产品。这使得图像传感器能够捕捉到更多的细节，提供更丰富的色彩和更准确的图像还原。
高速和高动态范围性能的追求
帧率
帧率是指传感器能够以每秒拍摄的图 像帧数。帧率越高，传感器能够捕捉 到的动态场景就越流畅。
04 CMOS图像传感器的应用 领域
消费电子产品
数码相机
CMOS图像传感器广泛应 用于数码相机中，提供高 清晰度的照片和视频。
智能手机
智能手机中的后置和前置 摄像头都采用了CMOS传 感器，以实现高质量的拍 照和视频通话。
平板电脑
平板电脑中的摄像头也使 用了CMOS传感器，为用 户提供便捷的拍摄功能。
工业和医疗领域
工业检测
CMOS传感器在工业领域中用于生产线上的检测和质量控制，提高生产效率和产 品质量。
医疗影像
CMOS传感器可以用于医疗设备中，如内窥镜和显微镜，提供高清晰度的图像， 有助于医生进行诊断和治疗。
安全监控和无人驾驶
需要进一步研究和解决的问题
噪声抑制
动态范围与分辨率
CMOS图像传感器易受到噪声干扰，如何 有效抑制噪声、提高图像质量是亟待解决 的问题。
进一步提高CMOS图像传感器的动态范围 和分辨率，以满足更高要求的图像采集需 求。
集成与小型化
低功耗设计
随着应用领域的不断拓展，对CMOS图像 传感器的集成度和尺寸要求也越来越高， 需要研究更先进的工艺和设计方法。
安全监控
CMOS传感器广泛应用于安全监控领域，为公共场所和私人 住宅提供高清视频监控，提高安全保障。
CMOS图像传感器中的视觉信号处理技术研究
CMOS图像传感器中的视觉信号处理技术研究第一章绪论CMOS图像传感器是一种基于CMOS工艺制造的图像传感器，具有低功耗、高集成度、成像速度快等优势。
同时，视觉信号处理技术是CMOS图像传感器技术中的关键环节，对CMOS图像传感器的成像质量和性能影响非常大。
因此，对CMOS图像传感器中的视觉信号处理技术进行研究和优化具有重要的意义。
本文将对CMOS图像传感器中的视觉信号处理技术进行探讨，从图像信号增强、去噪、边缘检测、分割、识别等方面进行论述，旨在为相关科研工作者和技术人员提供一定的参考和借鉴。
第二章图像信号增强技术图像信号增强技术是指对图像信号进行滤波或其他处理，以提高图像质量和清晰度的技术。
在CMOS图像传感器中，图像信号增强技术可以用来提高图像的对比度、清晰度和细节等方面。
常用的图像增强方法包括直方图均衡化、灰度变换、滤波等。
直方图均衡化是一种常用的图像增强方法，其基本思想是通过对图像的亮度分布进行统计分析，得出图像的灰度直方图，然后通过调整灰度值分布来增强图像对比度和清晰度。
在CMOS图像传感器中，直方图均衡化可以用于提高光照均匀的场景下的图像质量，如室内照明不均匀、夜间低光量等场景。
灰度变换是另一种常用的图像增强方法，其基本思想是将原图像的灰度级经过某种变换后得到一个新的灰度级。
通过确定变换函数的形式和参数，可以调整图像亮度和对比度等参数，以达到增强图像的目的。
在CMOS图像传感器中，灰度变换可以用于对不同亮度场景下的图像进行在线调整，以提高图片的质量和可读性。
滤波是另一种常用的图像增强方法，其基本思想是对图像信号进行卷积操作，以去除噪声和增强图像特征。
常用的滤波方法包括高通滤波、低通滤波、中值滤波等。
在CMOS图像传感器中，滤波可以用于去除CMOS图像传感器输出信号中的噪声和干扰，提高图像的质量和可靠性。
第三章图像去噪技术图像噪声是指图像中包含的非目标信号，它会降低图像的质量和清晰度。
CMOS图像传感器剖析实用PPT课件
小节
3.1 概述 3.2 CMOS成像器件的原理结构 3.3 CMOS成像器件的工作流程
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作业
➢CMOS图像传感器能够像线阵CCD那样只输出一行的信号 吗？若能，试说明怎样实现。 ➢何谓被动像敏单元结构与主动像敏单元结构？二者有什 么异同？主动像敏单元结构是如何克服被动像敏单元结构 的缺陷的？
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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；输出信号送A/D转换器进行 模数转换变成数字信号输出。
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3.2 CMOS成像器件的原理结构
3.2.1 CMOS成像器件的组成
图像信号的输出过程：
➢在Y方向地址译码器（可以采用移位寄存器） 的控制下，依次序接通每行像敏单元上的模 拟开关（图中标志的Si,j），信号将通过行开 关传送到列线上； ➢通过X方向地址译码器（可以采用移位寄存 器）的控制，输送到放大器。 由于信号经行与列开关输出，因此，可以实 现逐行扫描或隔行扫描的输出方式。也可以 只输出某一行或某一列的信号。
3.1 概述
CMOS图像传感器出现于1969年,它是一种用传统的芯 片工艺方法将光敏元件、放大器、A/D转换器、存储器、数 字信号处理器和计算机接口电路等集成在一块硅片上的图像 传感器件，这种器件的结构简单、处理功能多、成品率高和 价格低廉，有着广泛的应用前景。
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3.2 CMOS成像器件的原理结 构
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3.2 CMOS成像器件的原理结构
3.2.1 CMOS成像器件的组成
注意：在CMOS图像传感器的同 一芯片中，还可以设置其他数 字处理电路。例如，可以进行 自动曝光处理、非均匀性补偿、
cmos图像传感器ppt课件可编辑全文
数码相机传感器尺寸
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。
6.6
11.00
1/1.7英寸 7.76
5.82
9.70
1/2.3英寸 6.16
4.62
7.70
1/3.2英寸 4.13
3.05
5.13
面积 864.00 518.94 372.88 332.27 261.80 224.90 116.16 58.08 45.16 28.46 12.60
数码相机的像素:
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
SXGA型CMOS成像器件的光谱特性如图10所示。
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
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（Active Pixel Sensor.简称APS）， 又叫有源式， 几乎在CMOS PPS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CMOS APS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CMOS APS像素内的每个放大器仅在此读 出期间被激发，所以CMOS APS的功耗比CCD图像传感器的 还小。
CMOS传感器简介介绍
更低的噪声和更好的动态范围
发展趋势
01
CMOS传感器在追求高像素和分辨率的同时，也要降低图像噪
声和提高动态范围。
技术手段
02
采用噪声抑制算法、优化电源和模拟电路设计、改进像素结构
等方法，实现更低的噪声和更好的动态范围。
效果
03
更低的噪声和更好的动态范围可以提高CMOS传感器的图像品
质，特别是在低光环境下表现更为明显。
04
CMOS传感器的发
展趋势
更高的像素和分辨率
发展趋势
随着消费者对高清晰度图 片和视频的需求增加， CMOS传感器像素和分辨 率不断提高。
技术手段
通过减小像素尺寸、优化 像素结构和提高制造工艺 精度等技术手段，实现更 高的像素和分辨率。
效果
更高的像素和分辨率可以 提高图像清晰度和细节表 现力，使得拍摄出的图片 和视频更加真实、细腻。
更广泛的应用领域和市场前景
发展趋势
随着CMOS传感器性能不断提升和成本不断降低，其应用领域也在 不断拓展。
应用领域
除了传统的手机、数码相机、安防监控等领域，CMOS传感器还可 以应用于汽车、医疗、航空航天、机器人等新兴领域。
市场前景
随着5G、物联网、人工智能等新兴技术的快速发展，CMOS传感 器的市场需求将持续增长，市场前景广阔。
更高的帧率和更快的读取速度
发展趋势
随着应用领域的不断拓展，CMOS传感器需要更高的帧率和更快的 读取速度。
技术手段
通过优化像素结构、提高制造工艺精度、采用高速接口等技术手段 ，实现更高的帧率和更快的读取速度。
效果
更高的帧率和更快的读取速度可以提高CMOS传感器的实时性和响应 速度，满足高速运动场景和高清视频拍摄等需求。
CMOS图像传感器原理及应用
模数转换器：将放大后的电信号转换为数字信号
像素阵列：由许多像素组成，每个像素包含光电二极管和放大器
光电二极管：将光信号转换为电信号
光子进入CMOS图像传感器，被光电二极管吸收
光电二极管将光子转换为电子，形成电荷
电荷被存储在像素内的电容器中
电荷通过读取电路读取，转换为数字信号
材料替代：采用新型材料替代传统材料，降低生产成本
工艺优化：不断优化生产工艺，降低生产成本
技术进步：CMOS图像传感器技术不断进步，成本逐渐降低
规模效应：随着市场需求的扩大，生产规模逐渐扩大，成本降低
竞争加剧：市场竞争加剧，厂商为了抢占市场份额，降低成本
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CMOS图像传感器在数码相机中的应用，使得相机能够捕捉到高质量的图像
CMOS图像传感器在数码相机中的应用，使得相机能够实现自动对焦、自动曝光等功能
CMOS图像传感器在数码相机中的应用，使得相机能够实现高速连拍、高感光度等功能
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特点：具有高灵敏度、高动态范围、低功耗等优点
应用领域：广泛应用于安防监控、交通监控、工业监控等领域
工作原理：通过CMOS图像传感器捕捉图像信号，经过处理后输出视频信号
发展趋势：随着技术的发展，CMOS图像传感器在监控摄像头中的应用将更加广泛和深入。
应用领域：医疗影像设备是CMOS图像传感器的重要应用领域之一
应用设备：包括X射线机、CT扫描仪、MRI扫描仪等
CMOS图像传感器在像素读取过程中，每个像素单独进行光电转换，不需要扫描整个阵列，从而降低功耗。
CMOS图像传感器内部逻辑电路采用亚阈值电平工作，功耗较低。
CCD与CMOS图像传感器特点比较
一、CCD图像传感器
CCD，也被称为电荷耦合器件，是一种特殊的半导体器件，其基本原理是在半 导体上通过一系列的电荷感应和电荷转移过程来生成图像。这种传感器的主要 优点包括高灵敏度、低噪声、出色的色彩再现能力和相对较高的图像质量。
1、高灵敏度和低噪声：CCD的独特设计使其对光线非常敏感，而且能够将入射 的光线转化为电荷，从而在图像传感器中形成明暗对比。同时，其低噪声特性 使得图像的细节和清晰度得以保持。
CMOS与CCD图像传感器的未来发展趋势
随着技术的不断进步，CMOS和CCD图像传感器都在不断发展，以适应不断变化 的应用需求。在未来，这两种传感器的发展趋势可能包括：
1、CMOS传感器的高性能化：随着CMOS制造工艺的不断进步，CMOS传感器的性 能将得到进一步提升。例如，通过改进像素结构、增加读取速度等方式，可以 使得CMOS传感器在高分辨率、高灵敏度和高速读取等方面取得更好的表现。
2、色彩再现能力出色：CCD的Bayer滤波器设计可以提供优秀的色彩再现，从 而在色彩要求高的应用中，如彩色摄影和视频拍摄中表现出色。
3、图像质量较高：由于CCD的电荷转移特性，其可以提供较高的图像分辨率和 对比度，从而在图像的清晰度和细节方面表现出色。
二、CMOS图像传感器
CMOS，全称互补金属氧化物半导体，是一种常见的半导体制造工艺，被广泛应 用于各种电子设备中。在图像传感器领域，CMOS因其低功耗、高集成度和低成 本等优点而得到广泛应用。
3、实时图像处理能力：CMOS传感器通常与处理电路一起使用，可以实时进行 图像处理，这在一些需要即时反应的应用中非常有用，例如在无人驾驶汽车或 无人机中。
参考内容
引言
图像传感器在许多领域都有广泛应用，如摄影、监控、医疗成像和科学仪器等。 在图像传感器市场上，CMOS和CCD是最常见的两种技术，它们各有优缺点，各 有适用的场景。本次演示将对CMOS和CCD图像传感器进行比较研究，并探讨它 们的未来发展趋势。
CMOS图像传感器简介
CMOS图像传感器简介——机制班张波摘要：本文介绍了CMOS图像传感器的工作原理和性能指标，指出了CMOS图像传感器的技术问题和解决途径，综述了CMOS图像传感器的现状和发展趋势。
1．引言CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体）图像传感器是利用CMOS工艺制造的图像传感器，主要利用了半导体的光电效应，和电荷耦合器件（CCD）图像传感器的原理相同。
自从上世纪60年代末期，CMOS图像传感器与CCD图像传感器的研究几乎同时起步，但由于受当时工艺水平的限制，CMOS图像传感器图像质量差、分辨率低、噪声降不下来和光照灵敏度不够[1]，因而没有得到重视和发展。
而CCD器件因为有光照灵敏度高、噪音低、像素少等优点一直主宰着图像传感器市场[2]。
由于集成电路设计技术和工艺水平的提高，CMOS图像传感器过去存在的缺点，现在都可以找到办法克服，而且它固有的优点更是CCD器件所无法比拟的，因而它再次成为研究的热点。
2．基本原理CMOS型和CCD型固态图像传感器在光检测方面都利用了硅的光电效应原理，不同点在于像素光生电荷的读出方式。
CMOS图像传感器工作原理如图1所示[3]。
根据像素的不同结构，CMOS图像传感器可以分为无源像素被动式传感器（PPS）和有源像素主动式传感器（APS）。
根据光生电荷的不同产生方式APS 又分为光敏二极管型、光栅型和对数响应型，现在又提出了DPS(digital pixel sensor)概念。
图1 CMOS图像传感器工作原理（1）无源像素被动式传感器（PPS）PPS的像素结构包含一个光电二极管和一个场效应管开关V，其像素结构如图2所示，图3为信号时序图。
当V选通时，光电二极管中由于光照产生的电荷传送到了列选择线，然后列选择线下端的积分放大器将该信号转化为电压输出，光电二极管中产生的电荷与光信号成一定的比例关系。
无源像素具有单元结构简单、寻址简单、填充系数高、量子效率高等优点，但它灵敏度低、读出噪声大。
CMOS图像传感器原理及应用ppt课件
• 差异总结及前景展望： • 由于构造上的基本差异，我们可以表列出两者在性能上的表现之不 同。CCD图像传感器的特色在于充分保持信号在传输时不失真（专属 通道设计），透过每一个像素集合至单一放大器上再做统一处理，可 以保持数据的完整性；CMOS图像传感器的制程比较简单，没有专属 通道的设计，因此必须先行放大再整合各个画素的数据。新一代的 CCD朝向耗电量减少作为改进目标，以期进入手机摄像头的移动通讯 市场；CMOS系列，则开始朝向大尺寸面积与高速图像处理芯片整合 ，借由后续的图像处理修正噪声以及画质表现，CMOS未来跨足高阶 的影像市场产品，前景可期。
• • • • • •
ISO感光度
•
ISO值是用来表示传统相机所 使用底片的感光度。当ISO数值 愈大时，感光度就愈大。
分辨率
• • • • • • • • • • • • • 先来说一下像素： 像素，即是影像最基本的单位。也就是说将影像放大到不能 再将它分割的影像单位。 而分辨率，是在一个特定的区域内共有多少个像素单位， 该词最早是用来说明工程中单位长度所撷取到『点』的数目，对应在单位上就成了 dpi (dot per inch)。常见单位有： EPI:每一平方英寸共有多少单位数(element per inch)。 DPI:每一平方英寸共有多少点数(dot per inch)。 PPI:每一平方英寸共有多少像素数(pixel per inch)。 LPI:每一平方英寸共有多少条线(line per inch)。 胶片式照相机一般使用35毫米的胶卷。解像度在数百万到一千万点。但是，胶 片经镜头所拍下的成像。有时还比不上100万像素档次的数码相机。100万像素档次 的数码相机，拍摄1024x768点阵的画像，经高解像度的打印机打印，解像度为每毫 米3到4点（解像度可用点数来表示）。另一方面，胶片经镜头所拍下的成像每毫米 3-14点。受我们用肉眼所能鉴别的限制，这种程度的解像度没有太大的区别。
CMOS图像传感器简介
CMOS图像传感器简介——机制班张波摘要：本文介绍了CMOS图像传感器的工作原理和性能指标，指出了CMOS图像传感器的技术问题和解决途径，综述了CMOS图像传感器的现状和发展趋势。
1．引言CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体）图像传感器是利用CMOS工艺制造的图像传感器，主要利用了半导体的光电效应，和电荷耦合器件（CCD）图像传感器的原理相同。
自从上世纪60年代末期，CMOS图像传感器与CCD图像传感器的研究几乎同时起步，但由于受当时工艺水平的限制，CMOS图像传感器图像质量差、分辨率低、噪声降不下来和光照灵敏度不够[1]，因而没有得到重视和发展。
而CCD器件因为有光照灵敏度高、噪音低、像素少等优点一直主宰着图像传感器市场[2]。
由于集成电路设计技术和工艺水平的提高，CMOS图像传感器过去存在的缺点，现在都可以找到办法克服，而且它固有的优点更是CCD器件所无法比拟的，因而它再次成为研究的热点。
2．基本原理CMOS型和CCD型固态图像传感器在光检测方面都利用了硅的光电效应原理，不同点在于像素光生电荷的读出方式。
CMOS图像传感器工作原理如图1所示[3]。
根据像素的不同结构，CMOS图像传感器可以分为无源像素被动式传感器（PPS）和有源像素主动式传感器（APS）。
根据光生电荷的不同产生方式APS 又分为光敏二极管型、光栅型和对数响应型，现在又提出了DPS(digital pixel sensor)概念。
图1 CMOS图像传感器工作原理（1）无源像素被动式传感器（PPS）PPS的像素结构包含一个光电二极管和一个场效应管开关V，其像素结构如图2所示，图3为信号时序图。
当V选通时，光电二极管中由于光照产生的电荷传送到了列选择线，然后列选择线下端的积分放大器将该信号转化为电压输出，光电二极管中产生的电荷与光信号成一定的比例关系。
无源像素具有单元结构简单、寻址简单、填充系数高、量子效率高等优点，但它灵敏度低、读出噪声大。
=基于CMOS图像传感器的数据采集方案设计
2012届毕业生毕业设计说明书题目: 基于CMOS图像传感器的数据采集方案设计年月日目次1 概述 (1)1.1 选题背景 (1)1.2 研究目的和意义 (1)1.3 CMOS图像传感器国内外研究现状 (2)1.4 主要研究内容 (3)2 方案论证 (3)2.1 CMOS与CCD比较 (3)2.2 CMOS图像传感器工作原理 (5)2.3图像处理芯片选择 (7)2.4 FPGA工作原理 (7)2.5 总线介绍 (8)2.6 系统总体方案设计 (9)3 图像采集系统硬件设计 (11)3.1 图像传感器外围电路设计 (12)3.2 FPGA与图像传感器连接设计 (14)3.3 数据传输电路设计 (15)3.4采集图像缓存电路 (16)3.5 电源电路设计 (16)3.6 系统稳定性设计 (17)4 系统采集方案软件设计 (18)4.1 CMOS图像传感器数据采集流程图 (19)4.2 SCCB总线接口设计 (20)4.3 FPGA程序流程设计 (20)5 总结 (22)参考文献 (24)1 概述1.1 选题背景现代社会人们对于图像的获取的要求越来越高，不仅在日常生活中存在着视频图像的应用，在现代工业生产中图像的采集程度直接影响到整个工业的自动化水平和生产效益。
因此图像传感器获得很好的应用市场和发展机会，在应用中不断得到创新。
因此图像传感器的种类繁多，能适用于不同的场合。
在图像获取与运用中，图像传感器占据着重要的位置，因此越来越多的专家学者致力于图像处理的分析研究，并且取得了非常成功的效果。
在很长一段时间中，由于技术的限制，CCD一直垄断着图像传感器市场，使得成像技术的单一化。
近年来随着CMOS的不断完善，其独特的性能优势逐渐体现出来。
并且在研究领域得到了发展，很多技术得到了攻克。
例如抑制噪声干扰、提高分辨率等方面取得了很大突破，在市场上得到了很迅速的应用，被广泛的应用到各种图像采集系统中。
本科阶段对CMOS的研究无疑会对今后的工作产生巨大的促进作用，但是CMOS图像采集技术一直被国外垄断，国内发展并不成熟。
cmos图像传感器ppt课件
五、CMOS与CCD图像传感器性能比较
性能指标
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
CMOS图像传感器
低 低 高 10－100 大 略小 较差 1000 小 小 x－y寻址，可随机采样 高 低端、民用 高
三、CMOS图像传感器的像敏单元结构
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MOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor） ），互补 金属氧化物半导体，出现于1969年,它是一种用传统的芯片工艺方 法将光敏元件、放大器、A/D转换器、存储器、数字信号处理器和 计算机接口电路等集成在一块硅片上的图像传感器件，这种器件 的结构简单、处理功能多、成品率高和价格低廉，有着广泛的应 用前景。 CMOS虽然比CCD出现还早一年，但在相当长的时间内，由于它存 在成像质量差、像敏单元尺寸小、填充率（有效像元与总面积之 比）低（10%~20%），响应速度慢等缺点，因此只能用于图像质量 要求较低、尺寸较小的数码相机中，如机器人视觉应用的场合。 目前CMOS图像传感器正在监检、保安、自动化等民用领域得到广 泛应用：数码相机、摄像机、可拍照手机、可视门铃、PC机的微 型摄像头、指纹鉴定、医学诊断：药丸式摄像机（camera-in-apill）
CMOS传感器
目录基本原理与应用展开CMOS图像传感器是一种典型的固体成像传感器，与CCD有着共同的历史渊源。
CMOS图像传感器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。
其工作过程一般可分为复位、光电转换、积分、读出几部分。
在CMOS图像传感器芯片上还可以集成其他数字信号处理电路，如AD转换器、自动曝光量控制、非均匀补偿、白平衡处理、黑电平控制、伽玛校正等，为了进行快速计算甚至可以将具有可编程功能的DSP器件与CMOS器件集成在一起，从而组成单片数字相机及图像处理系统。
1963年Morrison发表了可计算传感器，这是一种可以利用光导效应测定光斑位置的结构，成为CMOS 图像传感器发展的开端。
1995年低噪声的CMOS有源像素传感器单片数字相机获得成功。
CMOS图像传感器具有以下几个优点:1)、随机窗口读取能力。
随机窗口读取操作是CMOS图像传感器在功能上优于CCD的一个方面，也称之为感兴趣区域选取。
此外，CMOS图像传感器的高集成特性使其很容易实现同时开多个跟踪窗口的功能。
2)、抗辐射能力。
总的来说，CMOS图像传感器潜在的抗辐射性能相对于CCD性能有重要增强。
3)、系统复杂程度和可靠性。
采用CMOS图像传感器可以大大地简化系统硬件结构。
4)、非破坏性数据读出方式。
5)、优化的曝光控制。
值得注意的是，由于在像元结构中集成了多个功能晶体管的原因，CMOS图像传感器也存在着若干缺点，主要是噪声和填充率两个指标。
鉴于CMOS图像传感器相对优越的性能，使得CMOS图像传感器在各个领域得到了广泛的应用。
美国高清高速CMOS图像传感器DYNAMAX-11:潘纳维申影像这颗新的传感器含有的全局电子曝光快门技术，极大地改善了工业成像在室内和室外的应用。
这颗新发布的DYNAMAX-11图像传感器适合用于机器视觉、安防监控、智能交通、生命科学、生物医疗、科学影像、高清录像、电视广播等工业成像领域。
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T 图3-2
光栅信号电荷积分在光栅（PG）下，浮置扩散点（A）复位 （电压为VDD），然后TX开启，收集在光栅下的信号电荷
转移到扩散点，复位电压水平与信号电压水平之差就是传感 器的输出信号。它由源跟随器转变为信号电压输出。
光栅型CMOS APS
每个像素采用5个晶
体管，典型的像素间
距为20μm（最小特 征尺寸）。
20世纪80年代，英国爱丁堡大学成功地制造出了世界 上第一块单片CMOS图像传感器件。
CMOS
（Comple-mentary Metal-Oxicle-Semiconductor）
二、CMOS摄像器件
采用CMOS技术可以将光电摄像器件阵列、驱 动和控制电路、信号处理电路、模／数转换器、 全数字接口电路等完全集成在一起，可以实现 单芯片成像系统。
CMOS图像传感器芯片采用了CMOS工艺，可将图像采集 单元和信号处理单元集成到同一块芯片上。
由于具有上述特点，它适合大规模批量生产，适用于 要求小尺寸、低价格、摄像质量无过高要求的应用， 如保安用小型对讲机、微型相机、手机、计算机网络 视频会议系统、无线手持式视频会议系统、条形码扫 描器、传真机、玩具、生物显微计数、某些车用摄像 系统等大量商用领域。
光栅型有源像素结构（PG－APS）——成像质量较 高
CMOS有源像素传感器的功耗比较小。但与无源像素 结构相比，有源像素结构的填充系数小，其设计填充 系数典型值为20%-30%。
在CMOS上制作微透镜阵列，可以等效提高填充系数 （这是因为每个像素位置上的微小透镜都能改变入射 光线的方向，使得本来会落到连接点或晶体管上的光 线重回到对光敏感的二极管区域）。
从某一方面来说，CMOS图像传感器在每个像 素位置内都有一个放大器，这就使其能在很低 的带宽情况下把离散的电荷信号包转换成电压 输出，而且也仅需要在帧速率下进行重置。 CMOS图像传感器的优点之一就是它具有低的 带宽，并增加了信噪比。
1. CMOS像素结构
按照像素阵列单元结构的不同，可以将像素单 元分为：
（2）有源像素结构
然而今天，随着制作工艺的提高，使在像素内 部增加复杂功能的想法成为可能。
现在，在像素位置以内已经能增加诸如电子开 关、互阻抗放大器和用来降低固定图形噪声的 相关双采样保持电路以及消除噪声等多种附加 功能。
有源像素结构
光电二极管型有源像素（PD－APS）——大多数中 低性能的应用
在CMOS APS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 。
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，这可以降低 残余水平的固定图形噪声 。
由于CMOS APS像素内的每个放大器仅在此 读出期间被激发，所以CMOS APS的功耗比 CCD图像传感器的还小。
首先，CCD技术芯片技术工艺复杂，不能与标准工 艺兼容。
其次，CCD技术芯片需要的电压功耗大，因此CCD 技术芯片价格昂贵且使用不便。
目前，最引人注目，最有发展潜力的是采用标准的 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor互 补金属氧化物场效应管)技术来生产图像传感器，即 CMOS图像传感器。
一是，它的读出噪声比较大，其典型值为200个电子。
二是，随着像素个数的增加，读出速率加快，于是读出 噪声变大。
由于制造工艺的限制，早先的CMOS图像传感器无法 将放大器放在像素位置以内。这种被称为PPS的技术， 噪声性能很不理想，而且还引来对CMOS图像传感器 的种种干扰。
目前这种结构已被淘汰。
CMOS图像传感器
第四章
CMOS图像号的装置，在数 字电视、可视通信市场中有着广泛的应用。
20世纪70年代，CCD图像传感器和CMOS图像传感 器同时起步。
CCD图像传感器由于灵敏度高、噪声低，逐步成为 图像传感器的主流。但是随着CCD应用范围的扩大， 其缺点逐渐暴露出来。
A
图3-3
在光栅型APS结构中，固定图形噪声得到了抑 制。其读出噪声为10～20个电子。但它的工艺 比较复杂，严格说并不能算完全的CMOS工艺。
由于多晶硅覆盖层的引入，使其量子效率比较 低，尤其对蓝光更是如此。
就目前看来，其整体性能优势并不十分突出。
2. CMOS摄像器件的总体结构
首先，外界光照射像素阵列，发生光电效应， 在像素单元内产生相应的电荷。
无源像素型PPS(passive pixel schematic)、 有源像素型APS(active pixel schematic) （1）无源像素结构
无源像素单元具有结构简单、像素填充率高及 量子效率比较高的优点。
光电二极管型CMOS无源像素传感器（CMOS PPS）的结
构自从1967年Weckler首次提出以来实质上一直没有变化，其
PD-APS结构由光电二 极管PD、复位管RST、 源级跟随器T和行选通 管RS组成。
光照射到光电二极管 产生信号电荷，这些 电荷通过源级跟随器 缓冲输出，当行选通 管选通时，电荷通过 列总线输出。复位管 RST打开对光电二极 管复位。
CMOS光电二极管型 APS适宜于大多数中 低性能的应用。
行选择逻辑单元根据需要，选通相应的行像素 单元。
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。
结构如图3-1所示。
它是由一个反向偏置
Udd
光电二极管和一个开
关构成。
PST
首先，复位脉冲启动复
位操作，光电二极管
的输出电压被置0；
接着光电二极管开始
光信号的积分；
当积分工作结束时，
选址脉冲启动选址开
关，光电二极管中的
图3-1
信号便传输到总线上；
然后经过公共放大器
放大后输出。
无源像素单元PPS出现得最早，自出现以来结构没有多 大变化。无源像素单元PPS结构简单，像素填充率高， 量子效率比较高，但它有两个显著的缺点。