基于ARM9的CMOS图像传感器设计

基于ARM9的CMOS图像传感器设计

1 cmos图像传感器的发展

70年代初CMOS传感器在NASA的Jet Propulsion Laboratory (JPL)制造成功，80年代末，英国爱丁堡大学成功试制出了世界第一块单片CMOS型图像传感器件，1995年像元数为（128×128）的高性能CMOS有源像素图像传感器由喷气推进实验室首先研制成功[1]，1997年英国爱丁堡VLSI Ver sion公司首次实现了CMOS图像传感器的商品化，就在这一年，实用CMOS技术的特征尺寸已达到0.35mm，东芝研制成功了光敏二极管型APS，其像元尺寸为5.6mm×5.6mm，具有彩色滤色膜和微透镜阵列，2000年日本东芝公司和美国斯坦福大学采用0.35mm技术开发的CMOS-APS已成为开发超微型CMOS摄像机的主流产品。

随着CMOS(互补金属氧化物半导体)技术的发展及市场需求的增加，CMOS 图像传感器得以迅速发展。由于采用了CMOS技术，可以将像素阵列与外围支持电路(如图像传感器核心、单一时钟、所有的时序逻辑、可编程功能和A／D 转换器)集成在同一块芯片上。与CCD(电容耦合器件)图像传感器相比，CMOS 图像传感器将整个图像系统集成在一块芯片上，具有体积小、重量轻、功耗低、编程方便、易于控制等优点，因此，CMOS图像传感器的应用已经变得越来越广泛。

CMOS图像传感器在我们生活中运用已经越来越多，涉及了各个行业各种领域以及我们生活的每一个方面。

2 cmos图像传感器的像元结构

CMOS图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与CCD不同，每个CMOS源像素传感单元都有自己的缓冲放大器，而且可以被单独选址和读出。

图1上部给出了MOS三极管和光敏二极管组成的相当于一个像元的结构剖面，

在光积分期间，MOS三极管截止，光敏二极管随入射光的强弱产生对应的载流子并存储在源极的P．N结部位上[1]。当积分期结束时，扫描脉冲加在MOS三极管的栅极上，使其导通，光敏二极管复位到参考电位，并引起视频电流在负载上流过，其大小与入射光强对应。图2-1下部给出了-个具体的像元结构，由图可知，MOS 三极管源极P．N结起光电变换和载流子存储作用，当栅极加有脉冲信号时，视频信号被读出。

图1 光敏二极管和CMOS三极管组成的光电转换及光电存储元件和开关模型如果将上述的多个像元集成在一块，便可以构成自扫描CMOS型一维摄像传感器。

3 CMOS图像传感器阵列结构

图2-1所示的是CMOS像敏元阵列结构，它由水平移位寄存器、垂直移位寄存器和CMOS像敏元阵列组成。图2-2是CMOS摄像器件的原理框图。如前所述，各MOS 晶体管在水平和垂直扫描电路的脉冲驱动下起开关作用。水平移位寄存器从左至右顺次地接通起水平扫描作用的MOS晶体管，也就是寻址列的作用，垂直移位寄存器顺次地寻址列阵的各行。每个像元由光敏二极管和起垂直开关作用的MOS晶体管组成，在水平移位寄存器产生的脉冲作用下顺次接通水平开关，在垂直移位寄存器产生的脉冲作用下接通垂直开关，于是顺次给像元的光敏二极管加上参考

电压(偏压)。被光照的二极管产生载流子使结电容放电，这就是积分期间信号的积累过程。而上述接通偏压的过程同时也是信号读出过程。在负载上形成的视频信号大小正比于该像元上的光照强弱。

图2-1 CMOS像敏元列阵结构图2-2 CMOS摄像器件原理框图

1一垂直移位寄存器：2一水平移位寄存器；

3一水平扫描开关；4一垂直扫描开关；5一

像敏元阵列；6一信号线；7一像敏元

3 CMOS图像传感器的功能结构及工作原理

CMOS图像传感器采集图像的过程及CMOS图像传感器的读出电路。如图3-1所示，给出了CMOS图像传感器结构框图信号流程图，首先，景物通过成像透镜聚焦到图像传感器阵列上，而图像传感器阵列是一个二维的像素阵列，每一个像素上都包括一个光敏二极管，每个像素中的光敏二极管将其阵列表面的光强转换为电信号，然后通过行选择电路和列选择电路选取希望操作的像素，并将像素上的电信号读取出来，放大后送相关双采样CDS电路处理，相关双采样是高质量器件用来消除一些干扰的重要方法，其基本原理是由图像传感器引出两路输出，一路为实时信号，另外一路为参考信号，通过两路信号的差分去掉相同或相关的干扰信号，这种方法可以减少KTC噪声、复位噪声和固定模式噪声FPN(Fixed Pattern Noise)，同时也可以降低1／f噪声，提高了信噪比[12] 13]，此外，它还可以完成信号积分、放大、采样、保持等功能。然后信号输出到模拟／数字转换器上变换成

数字信号输出。

图3-1 CMOS图像传感器结构及信号流程图

该系统选用OmniVision公司的OV7141黑白CMOS数字图像传感器。OV7620是一款单片VGA模式黑白数字像机芯片，具有640×480=307 200像素，最高可以30帧／s的速度输出数字图像数据。具有高灵敏度、宽动态范围、抗开花、零光晕等特点，所有的图像特性参数如曝光量、增益、白平衡、帧频、输出图像数据格式、图像时序信号极性、窗口大小及位置等，都可以通过SCCB 接口进行设置，并可立刻生效。

OV7141的主要特性参数如下：图像尺寸为3.6 mm×2.7 mm；像素尺寸为5.6μm×5.6μm；像素数为640×480像素(VGA)，320×240像素(QVGA)；信噪比>46 dB；最小照度为3.0 V／(Lux·s)；暗电流为30 mV／s；动态范围为62 dB；电源为DC 3.3 V和DC 2.5V；功耗为40 mW(工作)，30μA(休眠)。

CMOS镜像阵列的设计主要建立在逐行传送的扫描场读出系统和带同步像素读出电路的电子快门之上。而电子曝光控制算法(或系统规则)则建立在整个图(物)像亮度基础之上。在景像(或布景)正常时，一般曝光都比较理想。但在景像光线不适当时，则应通过AEC(自动曝光控制)白／黑比调节来使其满足应用要求。图像采集窗口可以任意设定，数据输出方式可以选择逐行工作模式或隔行工作模