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新型CMOS图像传感器原理及应用
Metal oxide semiconductor (Complementary Metal-Oxide Semiconductor, CMOS) image sensor and a charge coupled device (Charge Coupled Device, CCD) imaging device in 20 years ago almost simultaneously started. CCD is the application of photographic high-end technology elements in photography, CMOS is applied to the lower image quality products.
The CCD device has the advantages of high sensitivity, low noise, light, small pixels, so in the past 15 years it has dominated the image sensor market. In contrast, CMOS image sensor pixel existed in the past, the signal-to-noise ratio is small, low resolution of these shortcomings, has been unable to compete and CCD technology. But with the development of large-scale integrated circuit technology, the
past manufacturing a CMOS image sensor is not easy to solve in the process of technical difficulties have to find ways to solve the corresponding, thus greatly improves the image quality of CMOS image sensor.
金属氧化物半导体元件(Complementary Metal-Oxide Semiconductor，CMOS)图像传感器和电荷耦合元件(Charge Coupled Device，CCD)摄像器件在20年前几乎是同时起步的。

CCD是应用在摄影摄像方面的高端技术元件，CMOS则应用于
较低影像品质的产品中。

由于CCD器件有光照灵敏度高、噪音低、像素小等优点，所以在过去15年里它一直主宰着图像传感器市场。

与之相反，CMOS图像传感器过去存在着像素大，信噪比小，分辨率低这些缺点，一直无法和CCD技术抗衡。

但是随着大规模集成电
路技术的不断发展，过去CMOS图像传感器制造工艺中不易解决的技术难关现已都能找到相应解决的途径，从而大大改善了CMOS图像传感器的图像质量。

一、基本原理
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。

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。

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。

实际上,在
Conexant公司（前Rockwell半导体公司）的一台先进的CMOS摄像机所用的CMOS图传感器上,每一个像素中都设计并使用了6个晶体管,测试到的读出噪声只有1均方根电子。

不过,随着像素内电路数量的不断增加,留给感光二极管的空间逐渐减少,为了避免这个比例（又称占空因数或填充系数）的下降,一般都使用微透镜,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。

因为电荷被限制在像素以内,所以CMOS图像传感器的另一个固有的优点就是它的防光晕特性。

在像素位置内产生的电压先是被切换到一个纵列的缓冲区内,然后再被传输到输出放大器中,因此不会发生传输过程中的电荷损耗以及随后产生的光晕现象。

它的不利因素是每个像素中放大器的阈值电压都有细小的差别,这种不均匀性就会引起固定图像噪声。

然而,随着CMOS图像传感器的结构设计和制造工艺的不断改进,这种效应已经得到显著弱化。

这种多功能的集成化,使得许多以前无法应用图像技术的地方现在也变得可行了,如孩子的玩具,更加分散的保安摄像机、嵌入在显示器和膝上型计算机显示
器中的摄像机、带相机的移动电路、指纹识别系统、甚至于医学图像上所使用的一次性照相机等,这些都已在某些设计者的考虑之中。

二，图像的预处理过程及方法
为了得到良好的图像质量，需要对所采集的原始图像数据进行处理。

一般上，图像的预处理是在协处理器中完成的。

最近，随着SoC技术的发展，可以在CMOS
传感器中集成图像预处理功能．这正显示了CMOS图像传感器的优势所在。

图像的预处理主要包括了缺陷修正、去除FPN噪声、色彩差值，图像锐化差值、光圈修正、Gamma修正等一系列处理。

通过数字图像处理算法来实现来实现上述的图像预处理过程，其硬件平台可以是集成在SoC中的图像处理电路、ASIC图像处理芯片，或通用的DSP芯片。

首先是消除图像中的缺陷，如果某一个像素中有缺陷，而导致了其输出电平被
钳位于高电乎(黑点)或低电平(白点)，就需要通过图像处理来进行弥补。

通常是使用其周围相同颜色像素的平均值来代替该像素的输出值。

通常情况下，不同列的列模／数转换器存在着差异，这就导致了固定模式噪声(fixed Pattern Noise，FPN)的产生。

图4中Black Lines中的数据就是用来消除FPN的。

协处理器会利用这一部分数据来达到消除FPN的目的。

由于每个像素上为某种彩色滤光片，所以要通过色彩差值来得到其余两种色彩信息。

Gamma修正是为了消除在电学器件和光学器件之间在信号传输上的非线性效应。

从以上的图像处理过程可知，许多算法中使用了差值，这就导致了图像的平滑化，而为了恢复锐利的图像，就需要进行光圈修正。

在图像处理中，通过边缘检测而得到的锐化边缘对差值后的平滑图像进行卷积，从而得到锐利的图像。

三，CMOS图像传感器的应用
微型摄象机
在很多应用场合, 隐蔽摄象机必须大大缩小摄象机的体积, 采用CMOS 图象
传感器可方便地做到这一点。

目前国内市场上销售的DV -5016 型微型黑白
摄象机( 16mm×16mm×12mm) , 其功耗只有50mW, 配以高效可充电电池, 即
使全天候工作, 也不会引起电路过热和图象质量变差。

近来推出中分辨率的CMOS 黑白微型摄象机, 其灵敏度高达
6 0. 1lx, 图象清晰度可等同于CCD 摄象机。

目前可视门铃或可视电话都是CCD 非隐蔽式的。

随着治安要求不断提高, 为确保门外或室内外的摄象系统
不被识破而遭到破坏, 在室内外安装隐蔽式摄象系统将成为家用消费系统的一
种趋势。

对于CMOS 微型摄象机, 只要配有管状镜头, 就能达到隐蔽而难被
破坏的目的。

微型CMOS 摄象机的各种配置已在汽车尾视、内视-T ax 司机
的监视系统、塔吊起重、汽车防盗、电梯监控、超市防盗、银行监控、焦点采访、监狱、缉私等许多领域中得到应用。

由于其安装简便、使用方便、自动启动、自动录象、费用低, 使其应用也越来越广泛。

手表式数码相机
日本卡西欧计算机公司于2000 年 3 月推出手表式CMOS 数码相机。

该
相机平常可以当作手表使用, 需要摄影时则可当作相机。

与一般CCD 数码相
机相比该产品小巧玲珑, 更适合随身携带, 随时拍摄。

另外该相机还可以将电
话号码与对方的照片一起编排存储, 估计会受到年轻人的喜爱。

CMOS 手表
式相机的重量为32g, 外形尺寸为52mm×44mm
×16mm, 定价为 2. 2 万日元。

手表式相机上配有按钮, 可以切换时间显示模
式和摄影模式, 所拍摄的照片为黑白。

所拍照片还可以在手表的显示表盘上编辑。

在医学上的应用
在医疗领域, 可将CMOS 图象传感器应用于一种医疗x 射线机, 该机的优点
是病人所受x 射线的剂量较小, 比传统方式的1/ 100 还要低, 同时其形
成的数字图象不仅比x 射线胶片更易保存, 而且由于它可以进行进一步的修改、比较等操作, 所以还可以为医生进行诊断和治疗提供帮助。

CMOS 图象传感器除用于医用x 射线产品外, 还可用CMOS 图象传感器组装成超微型摄象机, 心脏外科医生可以在患者胸部安装一个微小型CMOS 摄象机( 俗称“电子眼” ) , 以便在手术后监视手术效果, CCD 图象传感器就很难实现这种应用。

四，结束语
图象传感器是继CCD 图象传感器发展之后深受人们欢迎的多功能摄象器件,
它采用单电源工作、单片集成、集成度高、功耗低、成本低、自动记时、随
机存取、无损读取、抗光晕和耐辐射。

随着亚微米工艺的不断发展和器件结构的改进, 该器件的性能不断提高。

已发展了无源型和有源型CMOS 图象传感器, 其发展十分迅速, 并且形成与CCD 图象传感器竞争的局面。

有专家预测它有可能替代CCD。

CMOS 图象传感器组装的黑白和彩色摄象机已用于汽车尾视、电梯监控、超市防盗、高速公路交通量的监视、隧道内和十字路口的监视、玩具、
游戏机、娱乐机器、可视通讯设备、高清晰度电视、医用仪器仪表、核仪器、
自动聚焦、星系跟踪系统以及数码相机等。