CMOS图像传感器及其应用
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最 后 值 得 指 出 的 是 CMOS 像 传 感 器 的 光 谱 响应宽于 CCD 像传感器 在红外波段仍具有较大的 输出响应O 因此 它在红外成像领域将具有广阔的应 用前景O
参考文献
[1] ~on-Sum Wong. Technology and Device Scaling Con-
siderations f or CMOS Imagers[J]. IEEE TED. 1996
了 CM0 S 像传感器的应用实例 CM0 S 成像器在红外成像领域具有广阔的应用前景
关键词: CM0 S 图像传感器; 单片彩色摄像机; 固体摄像器件
中图分类号: TN 3S6. 5; TP212. 14
文献标识码: A
CMOS Image Sensor and Its Application
TAN Xin-gu an1 ~E YOng-tai2
Abstract: CM0 S image sensOr is a new sOlid-state pickup element . This article cOmpares the perf Ormance Of a CM0 S image sensOr with CCD image sensOr . The OperatiOn principle and signif icant perf Ormance advantages Of CM0 S image sensOr are analysed. An applicatiOn example Of CM0 S image sensOr is given in the article. CM0 S image sensOr has the prOspects Of applicatiOn in the inf rared imaging. Key words: CM0 S image sensOr ; single-chip cOlOr camera sOlid-state; image pickup device.
虽然 CCD 是当今像传感器的主流技术 而且已 经实现了高填充率 小像素尺寸和大格式O 同时 一 些信号处理操作也用电荷域电路论证了O 但是 由于 附 加 装 配 复 杂 CCD 器 件 与 CMOS 电 路 集 成 比 较 困难 并且增加了成本O
图2 单片 CMOS 摄像机
CMOS 像 感 器 的 芯 片 上 可 以 很 容 易 集 成 各 种 数字电路O 从而可构成单片视频摄像机O 图2示出了 单 片 CMOS N TSC 视 频 摄 像 机 的 简 化 框 图O 图 中 器件的核心部分是3O6> 244图像传感器阵列O 这个 阵 列 按 照 Bayer 图 彩 色 化O 传 感 器 读 出 逻 辑~ A/ D~ D/ A 以及彩色重建和编码的3OOMIPS 的 DSPO 工作 电压为一组5V 时钟频率为 f sc 只需一只外接晶振O
激光与红外
77
入 T1 的 漏 极 中 光 敏 单 元 恢 复 初 始 状 态 即 达 到 复 位电平O 光电转换所得到的电信号由像素内的源跟 随器 T2所缓冲 从而增强了像素驱动能力O 由于 T2 与行选择管 T3串联 故只有当 T3栅极所加的控制脉 冲 X 为正时 该行的像素被选通O
( a)
( b) 图1 CMOS APS 读出电路及时序图
APS 图1示出了 CM0 S APS 的电路结构和 时序 波
形图 图中 虚线框内为像素单元包 PG 为光敏门 TX 为 传 输 门 MR 为 复 位 管 工 作 时 VD 接 + 5V 当光敏门 PG 的电压为+ 5V~ 复位 T1的栅极电压为 低电平时 光信号处在积分期 所产生的光生电子聚
焦在 PG 下 若 T1 栅 极 R 为 正 时 则 将 多 余 电 荷 导
( 1. Dept . Of ElectrOnics and Inf OrmatiOn Engineering ~uazhOng univ. Of Science and TechnOlOgy. Wuhan 430074 China; 2. ChuxiOng Teachers cOllege ChuxiOng 675000 China)
第31卷 第2期 2001年4月
激光与红外 LASER 8 INFRARED
VOl. 31 NO. 2 April 2001
===================================================================
文章编号: 1001-507S( 2001) 02-0076-02
CM0 S 图像传感器及其应用
谈新权1 何永泰2
( 1. 华中科技大学电子与信息工程系 湖北武汉 430074; 2. 楚雄师范高等专科学校物理系 云南楚雄 675000)
摘 要: CM0 S 图像传感器是近年 来市 场 上 出现 的一 种新 的摄像器件 文中 对 CM0 S 图 像传
感器与 CCD 图像传感器作了比较 分析了 CM0 S 像传感器的工作原理及其优越的性能 提供
2111 [4] 谈 新 权 许胜 辉 梅 晓英. CCD 图 像 传 感 器 的 高 分 辨 率
技术[J]. 半导体光电. 1999 2O( 3) : 189~ 192.
CMOS图像传感器及其应用
作者： 作者单位：
刊名： 英文刊名： 年，卷(期)： 被引用次数：
谈新权， 何永泰， TAN Xin-quan， HE Yong-tai 谈新权,TAN Xin-quan(华中科技大学电子与信息工程系,)， 何永泰,HE Yong-tai(楚雄师 范高等专科学校物理系,)
是数字照相机~ 扫描仪~ 台ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ摄像机以及掌上摄像机 市 场产生巨大冲击 CM0 S 兼容图 像传 感 器 技 术 的 开发是在高集成度成像系统中迈出的重要一步
目 前 CM0 S 有 源像素传 感 器 已 成 功 应 用 于 机
器人~ 机器视觉~ 航空和航海~ 自动控制~ 消费电子产 品如可视电话~ 计算机输入和家庭监视设备等 2 工作原理
图中 T4 和 T5 组成两个 抽 样 保 持 开 关 而 T6 为 负载管O 当 T4的栅极为正时 T4导通 T2输出的信号 经 T3 选 通 后 对 CR 充 电 当 S~R 脉 冲 过 去 后 T4 断 开 信号电压保持在 CR 上O 当 S~S 为正时 T5导通 输 出 信 号 对 Cs 充 电 S~S 脉 冲 过 去 后 信 号 电 荷 保 持在 Cs 上O 若列选通脉冲 Y 为正 时 表 示 该 列 像 素 选通 分别输出 VOR ~ VOSO
4.谈新权;许胜辉;梅晓英 CCD图像传感器的高分辨率技术 [期刊论文]-半导体光电 1999(03)
本文读者也读过(9条) 1. 宋永东.SONG Yong-dong CMOS图像传感器技术特点的分析与研究[期刊论文]-科技信息（科学·教研） 2007(29) 2. 董佳 基于CMOS图像传感器的成像系统研究[学位论文]2006 3. 饶睿坚.来新泉.李玉山 CMOS图像传感芯片的成像技术[期刊论文]-微电子学2001,31(4) 4. 尚玉全.曾云.滕涛.高云 CMOS图像传感器及其研究[期刊论文]-半导体技术2004,29(8) 5. 陈剑.杨银堂.Chen Jian.Yang Yintang CMOS图像传感器研究[期刊论文]-电子科技2007(9) 6. 严国荣 CMOS型成像技术的开发与应用[期刊论文]-电声技术2001(9) 7. 程开富.CHENG Kai-fu CMOS图像传感器及应用[期刊论文]-半导体光电2000,21(z1) 8. 刘静.杜明辉 CMOS图像传感器关键技术及其新进展[期刊论文]-传感器技术2004,23(11) 9. 郑晓 一种CMOS图像传感器的设计[学位论文]2007
1前言 CM0 S 像 传 感 器 是 光 电 子 学 领 域 中 出 现 的 又
一 新 的 成 像 器 件 最 近 几 年 里 使 用 标 准 CM0 S 制 作 工 艺 的 有 源 像 素 传 感 器 ( APS) 引 起 了 极 大 关 注 与 CCD 像感器相 比 CM0 S 像感 器 的 优 点 是: 1) 低 压工作和低功耗; 2) 与片上电子电路( 如控制逻辑~ 定时~ 图像处理~ 接口电路等) 兼容; 3) 图像数据随机 存 取; 4) 潜 在 的 低 成 本 CM0 S 成 像 器 其 所 以 具 有 低功耗 一方面是由于在读出时 只有一行像素需要
激活 另一方面 本身只需低电源电压工作 定时~ 控 制~ 信号处理~ A/D 转换都在同一芯片上集成 并采 用同一电源供电 从而大大降低了成像系统的成本
CCD 成像器需要特殊 制造工艺 像传 感 器 芯片 上的装配要使用附加电路 如驱动电路 移位寄存
器 故制作成本高 工作电压种类多
CCD 像 感 器 和 CM0 S 像 感 器 在 芯 片 的 生 产 成本和兼容性方面存在巨大差异 对成像系统 特别
作者简介: 谈新权( 1945-) 男 教授 主要从事光电成像技术~ 图 像通信与信息处理~ 数字视频技术等领域的教学和科研工作 主持或 参加部级重大科研课题多项 获部级一等奖一项~ 二等奖二项~ 三等 奖一项 已发表论文60余篇 多篇被美国< 工程索引!收录
收稿日期: 2000-10-0S
第2期
CM0 S 像 传感器 的光电 转 换 原 理 与 CCD 基 本 相同 其光敏单元受到光照后产生光生电子 而信号
的读出方法却不同 CM0 S 像传感器按 信 号 读 出 方 法 可分为无源像素图像传感器和有源像素图像传感
器 ( APS) 前者的光敏单元驱动能力弱 且固定结构 噪 声 FPN 较 大 目 前 使 用 较 多 的 是 性 能 优 良 的
激光与红外 LASER & INFRARED 2001,31(2) 13次
参考文献(4条) 1.Hon-Sum Wong Technology and Device Scaling Considerations for CMOS Imagers 1996(12) 2.Sunetra K M CMOS Active Pixel Image Sensors for Highly Integrated Imaging Systems[外文期刊] 1997(02) 3.Stewart G S al.A Single-chip CMOS 306×244-Pixel NTSC Video Camera and a Descendant Coprocessor Device[外文期刊] 1998(12)
T11~ T12 是 整 个 像 素 阵 列 所 共 有 的 列 源 跟 随 器 的负载晶 体 管O 由 图1( b) 可知 在像 元电 荷包 到来 之前和到来时分别进行前后两次抽样O 若输出的信 号 VOR~ VOS相 减 所 得 差 值 为 真 正 的 信 号 而 消 除 了 噪声O 3 应用实例
单片器件的像传感器使用三晶体管结构的光敏
二极管像素O 三晶体管有源像素胜过四晶体管结构 因而布线和元件密度小 易于在给定的工艺中实现
较大的填充系数O 光收集极是由标准的 N-/P 阱结 制成 光敏二极管集电极的量子效率比较高 特别是
在可见光谱的蓝色区域O 从阵列光敏单元读出的信号也采用相关双抽样
( CDS) 经 水 平 移 位 寄 存 器 读 出 然 后 送 至 片 上 8位 A/ D 转 换 器O 所 产 生 的 数 字 视 频 流 送 到 DSP 进 行 的处理有: 内插~ 孔阑校正~ r 校正~ 色同步~ 消隐~ 同 步信号的产生以及矩阵~ 色度增益~ 白平衡调整~ 彩 色空间转换等O 最后得到彩色全电视信号 经 D/A 转换器转换成模拟信号 输 出 1Vpp 标 准 彩 色 全 电 视 信号( CVBS) O
43( 12) : 2131~ 2142.
[2] Sunetra K M et . al. CMOS Active Pixel Image Sensors
f or ~ighly Integrated Imaging Systems [ J ]. IEEE
JSSC. 1997 32( 2) : 187~ 197.
[ 3] Stewart G S et . al. A Single-chip CMOS 3O6 > 244-
Pixel NTSC Video Camera and a Descendant Copro-
cessor Device [J ] IEEE JSSC. 1998 33 ( 12) : 21O4 ~
参考文献
[1] ~on-Sum Wong. Technology and Device Scaling Con-
siderations f or CMOS Imagers[J]. IEEE TED. 1996
了 CM0 S 像传感器的应用实例 CM0 S 成像器在红外成像领域具有广阔的应用前景
关键词: CM0 S 图像传感器; 单片彩色摄像机; 固体摄像器件
中图分类号: TN 3S6. 5; TP212. 14
文献标识码: A
CMOS Image Sensor and Its Application
TAN Xin-gu an1 ~E YOng-tai2
Abstract: CM0 S image sensOr is a new sOlid-state pickup element . This article cOmpares the perf Ormance Of a CM0 S image sensOr with CCD image sensOr . The OperatiOn principle and signif icant perf Ormance advantages Of CM0 S image sensOr are analysed. An applicatiOn example Of CM0 S image sensOr is given in the article. CM0 S image sensOr has the prOspects Of applicatiOn in the inf rared imaging. Key words: CM0 S image sensOr ; single-chip cOlOr camera sOlid-state; image pickup device.
虽然 CCD 是当今像传感器的主流技术 而且已 经实现了高填充率 小像素尺寸和大格式O 同时 一 些信号处理操作也用电荷域电路论证了O 但是 由于 附 加 装 配 复 杂 CCD 器 件 与 CMOS 电 路 集 成 比 较 困难 并且增加了成本O
图2 单片 CMOS 摄像机
CMOS 像 感 器 的 芯 片 上 可 以 很 容 易 集 成 各 种 数字电路O 从而可构成单片视频摄像机O 图2示出了 单 片 CMOS N TSC 视 频 摄 像 机 的 简 化 框 图O 图 中 器件的核心部分是3O6> 244图像传感器阵列O 这个 阵 列 按 照 Bayer 图 彩 色 化O 传 感 器 读 出 逻 辑~ A/ D~ D/ A 以及彩色重建和编码的3OOMIPS 的 DSPO 工作 电压为一组5V 时钟频率为 f sc 只需一只外接晶振O
激光与红外
77
入 T1 的 漏 极 中 光 敏 单 元 恢 复 初 始 状 态 即 达 到 复 位电平O 光电转换所得到的电信号由像素内的源跟 随器 T2所缓冲 从而增强了像素驱动能力O 由于 T2 与行选择管 T3串联 故只有当 T3栅极所加的控制脉 冲 X 为正时 该行的像素被选通O
( a)
( b) 图1 CMOS APS 读出电路及时序图
APS 图1示出了 CM0 S APS 的电路结构和 时序 波
形图 图中 虚线框内为像素单元包 PG 为光敏门 TX 为 传 输 门 MR 为 复 位 管 工 作 时 VD 接 + 5V 当光敏门 PG 的电压为+ 5V~ 复位 T1的栅极电压为 低电平时 光信号处在积分期 所产生的光生电子聚
焦在 PG 下 若 T1 栅 极 R 为 正 时 则 将 多 余 电 荷 导
( 1. Dept . Of ElectrOnics and Inf OrmatiOn Engineering ~uazhOng univ. Of Science and TechnOlOgy. Wuhan 430074 China; 2. ChuxiOng Teachers cOllege ChuxiOng 675000 China)
第31卷 第2期 2001年4月
激光与红外 LASER 8 INFRARED
VOl. 31 NO. 2 April 2001
===================================================================
文章编号: 1001-507S( 2001) 02-0076-02
CM0 S 图像传感器及其应用
谈新权1 何永泰2
( 1. 华中科技大学电子与信息工程系 湖北武汉 430074; 2. 楚雄师范高等专科学校物理系 云南楚雄 675000)
摘 要: CM0 S 图像传感器是近年 来市 场 上 出现 的一 种新 的摄像器件 文中 对 CM0 S 图 像传
感器与 CCD 图像传感器作了比较 分析了 CM0 S 像传感器的工作原理及其优越的性能 提供
2111 [4] 谈 新 权 许胜 辉 梅 晓英. CCD 图 像 传 感 器 的 高 分 辨 率
技术[J]. 半导体光电. 1999 2O( 3) : 189~ 192.
CMOS图像传感器及其应用
作者： 作者单位：
刊名： 英文刊名： 年，卷(期)： 被引用次数：
谈新权， 何永泰， TAN Xin-quan， HE Yong-tai 谈新权,TAN Xin-quan(华中科技大学电子与信息工程系,)， 何永泰,HE Yong-tai(楚雄师 范高等专科学校物理系,)
是数字照相机~ 扫描仪~ 台ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ摄像机以及掌上摄像机 市 场产生巨大冲击 CM0 S 兼容图 像传 感 器 技 术 的 开发是在高集成度成像系统中迈出的重要一步
目 前 CM0 S 有 源像素传 感 器 已 成 功 应 用 于 机
器人~ 机器视觉~ 航空和航海~ 自动控制~ 消费电子产 品如可视电话~ 计算机输入和家庭监视设备等 2 工作原理
图中 T4 和 T5 组成两个 抽 样 保 持 开 关 而 T6 为 负载管O 当 T4的栅极为正时 T4导通 T2输出的信号 经 T3 选 通 后 对 CR 充 电 当 S~R 脉 冲 过 去 后 T4 断 开 信号电压保持在 CR 上O 当 S~S 为正时 T5导通 输 出 信 号 对 Cs 充 电 S~S 脉 冲 过 去 后 信 号 电 荷 保 持在 Cs 上O 若列选通脉冲 Y 为正 时 表 示 该 列 像 素 选通 分别输出 VOR ~ VOSO
4.谈新权;许胜辉;梅晓英 CCD图像传感器的高分辨率技术 [期刊论文]-半导体光电 1999(03)
本文读者也读过(9条) 1. 宋永东.SONG Yong-dong CMOS图像传感器技术特点的分析与研究[期刊论文]-科技信息（科学·教研） 2007(29) 2. 董佳 基于CMOS图像传感器的成像系统研究[学位论文]2006 3. 饶睿坚.来新泉.李玉山 CMOS图像传感芯片的成像技术[期刊论文]-微电子学2001,31(4) 4. 尚玉全.曾云.滕涛.高云 CMOS图像传感器及其研究[期刊论文]-半导体技术2004,29(8) 5. 陈剑.杨银堂.Chen Jian.Yang Yintang CMOS图像传感器研究[期刊论文]-电子科技2007(9) 6. 严国荣 CMOS型成像技术的开发与应用[期刊论文]-电声技术2001(9) 7. 程开富.CHENG Kai-fu CMOS图像传感器及应用[期刊论文]-半导体光电2000,21(z1) 8. 刘静.杜明辉 CMOS图像传感器关键技术及其新进展[期刊论文]-传感器技术2004,23(11) 9. 郑晓 一种CMOS图像传感器的设计[学位论文]2007
1前言 CM0 S 像 传 感 器 是 光 电 子 学 领 域 中 出 现 的 又
一 新 的 成 像 器 件 最 近 几 年 里 使 用 标 准 CM0 S 制 作 工 艺 的 有 源 像 素 传 感 器 ( APS) 引 起 了 极 大 关 注 与 CCD 像感器相 比 CM0 S 像感 器 的 优 点 是: 1) 低 压工作和低功耗; 2) 与片上电子电路( 如控制逻辑~ 定时~ 图像处理~ 接口电路等) 兼容; 3) 图像数据随机 存 取; 4) 潜 在 的 低 成 本 CM0 S 成 像 器 其 所 以 具 有 低功耗 一方面是由于在读出时 只有一行像素需要
激活 另一方面 本身只需低电源电压工作 定时~ 控 制~ 信号处理~ A/D 转换都在同一芯片上集成 并采 用同一电源供电 从而大大降低了成像系统的成本
CCD 成像器需要特殊 制造工艺 像传 感 器 芯片 上的装配要使用附加电路 如驱动电路 移位寄存
器 故制作成本高 工作电压种类多
CCD 像 感 器 和 CM0 S 像 感 器 在 芯 片 的 生 产 成本和兼容性方面存在巨大差异 对成像系统 特别
作者简介: 谈新权( 1945-) 男 教授 主要从事光电成像技术~ 图 像通信与信息处理~ 数字视频技术等领域的教学和科研工作 主持或 参加部级重大科研课题多项 获部级一等奖一项~ 二等奖二项~ 三等 奖一项 已发表论文60余篇 多篇被美国< 工程索引!收录
收稿日期: 2000-10-0S
第2期
CM0 S 像 传感器 的光电 转 换 原 理 与 CCD 基 本 相同 其光敏单元受到光照后产生光生电子 而信号
的读出方法却不同 CM0 S 像传感器按 信 号 读 出 方 法 可分为无源像素图像传感器和有源像素图像传感
器 ( APS) 前者的光敏单元驱动能力弱 且固定结构 噪 声 FPN 较 大 目 前 使 用 较 多 的 是 性 能 优 良 的
激光与红外 LASER & INFRARED 2001,31(2) 13次
参考文献(4条) 1.Hon-Sum Wong Technology and Device Scaling Considerations for CMOS Imagers 1996(12) 2.Sunetra K M CMOS Active Pixel Image Sensors for Highly Integrated Imaging Systems[外文期刊] 1997(02) 3.Stewart G S al.A Single-chip CMOS 306×244-Pixel NTSC Video Camera and a Descendant Coprocessor Device[外文期刊] 1998(12)
T11~ T12 是 整 个 像 素 阵 列 所 共 有 的 列 源 跟 随 器 的负载晶 体 管O 由 图1( b) 可知 在像 元电 荷包 到来 之前和到来时分别进行前后两次抽样O 若输出的信 号 VOR~ VOS相 减 所 得 差 值 为 真 正 的 信 号 而 消 除 了 噪声O 3 应用实例
单片器件的像传感器使用三晶体管结构的光敏
二极管像素O 三晶体管有源像素胜过四晶体管结构 因而布线和元件密度小 易于在给定的工艺中实现
较大的填充系数O 光收集极是由标准的 N-/P 阱结 制成 光敏二极管集电极的量子效率比较高 特别是
在可见光谱的蓝色区域O 从阵列光敏单元读出的信号也采用相关双抽样
( CDS) 经 水 平 移 位 寄 存 器 读 出 然 后 送 至 片 上 8位 A/ D 转 换 器O 所 产 生 的 数 字 视 频 流 送 到 DSP 进 行 的处理有: 内插~ 孔阑校正~ r 校正~ 色同步~ 消隐~ 同 步信号的产生以及矩阵~ 色度增益~ 白平衡调整~ 彩 色空间转换等O 最后得到彩色全电视信号 经 D/A 转换器转换成模拟信号 输 出 1Vpp 标 准 彩 色 全 电 视 信号( CVBS) O
43( 12) : 2131~ 2142.
[2] Sunetra K M et . al. CMOS Active Pixel Image Sensors
f or ~ighly Integrated Imaging Systems [ J ]. IEEE
JSSC. 1997 32( 2) : 187~ 197.
[ 3] Stewart G S et . al. A Single-chip CMOS 3O6 > 244-
Pixel NTSC Video Camera and a Descendant Copro-
cessor Device [J ] IEEE JSSC. 1998 33 ( 12) : 21O4 ~