详解CMOS图像传感器的工作原理

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描述

更确切地说,CMOS图像传感器应当是一个图像系统。

图像传感器是将光信号转换为电信号的装置,在数字电视、可视通信市场中有着广泛的应用。目前应用广泛的主要是CCD(Charge-Coupled Device,电荷耦合器件)与CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor,互补金属氧化物场效应管)这两种。

其中,CMOS是目前最引人注目,且被认为是最有发展潜力的。

CMOS图像传感器是一种典型的固体成像传感器,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。

更确切地说,CMOS图像传感器应当是一个图像系统。事实上,当一位设计者购买了CMOS图像传感器后,他得到的是一个包括图像阵列逻辑寄存器、存储器、定时脉冲发生器和转换器在内的全部系统。

CMOS图像传感器的工作原理详解:

1、MOS管的像元结构

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(如下图中的①位置)。

图像传感器

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。

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。

2、CMOS图像传感器阵列结构

CMOS像敏元阵列结构,由水平移位寄存器、垂直移位寄存器和CMOS像敏元阵列组成。

图像传感器

CMOS像敏元阵列结构

(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)

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)。

图像传感器

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。

3、CMOS图像传感器的工作原理及流程

根据CMOS图像传感器的功能框图,可发现CMOS图像传感器的工作流程主要分为以下三步。

图像传感器

CMOS图像传感器的功能框图

第一步: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。

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。

第二步: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。

在选通过程中,行选择逻辑单元可以对像素阵列逐行扫描也可隔行扫描,列同理。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。

第三步:把相应的像素单元进行信号处理。

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,模拟信号处理单元的主要功能是对信号进行放大处理,并且提高信噪比。

像素电信号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(FixedPatternNoise),同时也可以降低1/f噪声,提高了信噪比。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。

另外,为了获得质量合格的实用摄像头,芯片中必须包含各种控制电路,如曝光时间控制、自动增益控制等。为了使芯片中各部分电路按规定的节拍动作,必须使用多个时序控制信号。为了便于摄像头的应用,还要求该芯片能输出一些时序信号,如同步信号、行起始信号、场起始信号等。

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