CMOS圖像傳感器

CMOS圖像傳感器是一種典型的固體成像傳感器,與CCD有著共同的歷史淵源。CMOS圖像傳感器通常由像敏單元陣列、行驅(qū)動(dòng)器、列驅(qū)動(dòng)器、時(shí)序控制邏輯、AD轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)總線輸出接口、控制接口等幾部分組成,這幾部分通常都被集成在同一塊硅片上。其工作過程一般可分為復(fù)位、光電轉(zhuǎn)換、積分、讀出幾部分。

CMOS圖像傳感器基本信息

中文名稱 CMOS圖像傳感器 外文名稱 CMOS image sensor
對(duì)象 電路 學(xué)科 電路
工具 轉(zhuǎn)換器

CMOS圖像傳感器基本工作原理

首先,外界光照射像素陣列,發(fā)生光電效應(yīng),在像素單元內(nèi)產(chǎn)生相應(yīng)的電荷。行選擇邏輯單元根據(jù)需要,選通相應(yīng)的行像素單元。行像素單元內(nèi)的圖像信號(hào)通過各自所在列的信號(hào)總線傳輸?shù)綄?duì)應(yīng)的模擬信號(hào)處理單元以及A/D轉(zhuǎn)換器,轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像信號(hào)輸出。其中的行選擇邏輯單元可以對(duì)像素陣列逐行掃描也可隔行掃描。行選擇邏輯單元與列選擇邏輯單元配合使用可以實(shí)現(xiàn)圖像的窗口提取功能。模擬信號(hào)處理單元的主要功能是對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大處理,并且提高信噪比。另外,為了獲得質(zhì)量合格的實(shí)用攝像頭,芯片中必須包含各種控制電路,如曝光時(shí)間控制、自動(dòng)增益控制等。為了使芯片中各部分電路按規(guī)定的節(jié)拍動(dòng)作,必須使用多個(gè)時(shí)序控制信號(hào)。為了便于攝像頭的應(yīng)用,還要求該芯片能輸出一些時(shí)序信號(hào),如同步信號(hào)、行起始信號(hào)、場(chǎng)起始信號(hào)等。

象素陣列工作原理

圖像傳感器一個(gè)直觀的性能指標(biāo)就是對(duì)圖像的復(fù)現(xiàn)的能力。而象素陣列就是直接關(guān)系到這一指標(biāo)的關(guān)鍵的功能模塊。按照像素陣列單元結(jié)構(gòu)的不同,可以將像素單元分為無源像素單元PPS(passive pixel schematic),有源像素單元APS(activepixel schematic)和對(duì)數(shù)式像素單元,有源像素單元APS又可分為光敏二極管型APS、光柵型APS.

以上各種象素陣列單元各有特點(diǎn),但是他們有著基本相同的工作原理。以下先介紹它們基本的工作原理,再介紹各種象素單元的特點(diǎn)。下圖是單個(gè)象素的示意圖。

(1)首先進(jìn)入"復(fù)位狀態(tài)",此時(shí)打開門管M.電容被充電至V,二極管處于反向狀態(tài);

(2)然后進(jìn)人"取樣狀態(tài)".這時(shí)關(guān)閉門管M,在光照下二極管產(chǎn)生光電流,使電容上存貯的電荷放電,經(jīng)過一個(gè)固定時(shí)間間隔后,電容C上存留的電荷量就與光照成正比例,這時(shí)就將一幅圖像攝入到了敏感元件陣列之中了;

(3)最后進(jìn)入"讀出狀態(tài)".這時(shí)再打開門管M,逐個(gè)讀取各像素中電容C上存貯的電荷電壓。

無源像素單元PPS出現(xiàn)得最早,自出現(xiàn)以來結(jié)構(gòu)沒有多大變化。無源像素單元PPS結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,像素填充率高,量子效率比較高,但它有兩個(gè)顯著的缺點(diǎn)。一是,它的讀出噪聲比較大,其典型值為20個(gè)電子,而商業(yè)用的CCD級(jí)技術(shù)芯片其讀出噪聲典型值為20個(gè)電子。二,隨著像素個(gè)數(shù)的增加,讀出速率加快,于是讀出噪聲變大。

光敏二極管型APS量子效率比較高,由于采用了新的消噪技術(shù),輸出圖形信號(hào)質(zhì)量比以前有許多提高,讀出噪聲一般為75~100個(gè)電子,此種結(jié)構(gòu)的C3&適合于中低檔的應(yīng)用場(chǎng)合。

在光柵型APS結(jié)構(gòu)中,固定圖形噪聲得到了抑制。其讀出噪聲為10~20個(gè)電子。但它的工藝比較復(fù)雜,嚴(yán)格說并不能算完全的CMOS工藝。由于多晶硅覆蓋層的引入,使其量子效率比較低,尤其對(duì)藍(lán)光更是如此。就目前看來,其整體性能優(yōu)勢(shì)并不十分突出。

影響CMOS傳感器性能的主要問題

3.1噪聲

這是影響CMOS傳感器性能的首要問題。這種噪聲包括固定圖形噪聲FPN(Fixed pattern noise)、暗電流噪聲、熱噪聲等。固定圖形噪聲產(chǎn)生的原因是一束同樣的光照射到兩個(gè)不同的象素上產(chǎn)生的輸出信號(hào)不完全相同。噪聲正是這樣被引入的。對(duì)付固定圖形噪聲可以應(yīng)用雙采樣或相關(guān)雙采樣技術(shù)。具體地說來有點(diǎn)像在設(shè)計(jì)模擬放大器時(shí)引入差分對(duì)來抑制共模噪聲。雙采樣是先讀出光照產(chǎn)生的電荷積分信號(hào),暫存然后對(duì)象素單元進(jìn)行復(fù)位,再讀取此象素單元地輸出信號(hào)。兩者相減得出圖像信號(hào)。兩種采樣均能有效抑制固定圖形噪聲。另外,相關(guān)雙采樣需要臨時(shí)存儲(chǔ)單元,隨著象素地增加,存儲(chǔ)單元也要增加。

3.2暗電流

物理器件不可能是理想的,如同亞閾值效應(yīng)一樣,由于雜質(zhì)、受熱等其他原因的影響,即使沒有光照射到象素,象素單元也會(huì)產(chǎn)生電荷,這些電荷產(chǎn)生了暗電流。暗電流與光照產(chǎn)生的電荷很難進(jìn)行區(qū)分。暗電流在像素陣列各處也不完全相同,它會(huì)導(dǎo)致固定圖形噪聲。對(duì)于含有積分功能的像素單元來說,暗電流所造成的固定圖形噪聲與積分時(shí)間成正比。暗電流的產(chǎn)生也是一個(gè)隨機(jī)過程,它是散彈噪聲的一個(gè)來源。因此,熱噪聲元件所產(chǎn)生的暗電流大小等于像素單元中的暗電流電子數(shù)的平方根。當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間的積分單元被采用時(shí),這種類型的噪聲就變成了影響圖像信號(hào)質(zhì)量的主要因素,對(duì)于昏暗物體,長(zhǎng)時(shí)間的積分是必要的,并且像素單元電容容量是有限的,于是暗電流電子的積累限制了積分的最長(zhǎng)時(shí)間。

為減少暗電流對(duì)圖像信號(hào)的影響,首先可以采取降溫手段。但是,僅對(duì)芯片降溫是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的,由暗電流產(chǎn)生的固定圖形噪聲不能完全通過雙采樣克服。采用的有效的方法是從已獲得的圖像信號(hào)中減去參考暗電流信號(hào)。

3.3象素的飽和與溢出模糊

類似于放大器由于線性區(qū)的范圍有限而存在一個(gè)輸入上限,對(duì)于CMOS圖像傳感芯片來說,它也有一個(gè)輸入的上限。輸入光信號(hào)若超過此上限,像素單元將飽和而不能進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換。對(duì)于含有積分功能的像素單元來說,此上限由光電子積分單元的容量大小決定:對(duì)于不含積分功能的像素單元,該上限由流過光電二極管或三極管的最大電流決定。在輸入光信號(hào)飽和時(shí),溢出模糊就發(fā)生了。溢出模糊是由于像素單元的光電子飽和進(jìn)而流出到鄰近的像素單元上。溢出模糊反映到圖像上就是一片特別亮的區(qū)域。這有些類似于照片上的曝光過度。溢出模糊可通過在像素單元內(nèi)加入自動(dòng)泄放管來克服,泄放管可以有效地將過剩電荷排出。但是,這只是限制了溢出,卻不能使象素能真實(shí)還原出圖像了。

CMOS圖像傳感器的市場(chǎng)狀況

據(jù)市場(chǎng)調(diào)研公司Cahners In-stat Group預(yù)測(cè),未來幾年內(nèi),基于CMOS圖像傳感器的影像產(chǎn)品將達(dá)到50%以上,也就是說,到時(shí)CMOS圖像傳感器將取代CCD而成為市場(chǎng)的主流??梢?,CMOS攝像機(jī)的市場(chǎng)前景非常廣闊.

今后幾年,全球CMOS圖像傳感器銷售量將迅速增加,并將在許多數(shù)字圖像應(yīng)用領(lǐng)域向傳統(tǒng)的CCD發(fā)起沖擊。這是因?yàn)镃MOS圖像傳感器件具有兩大優(yōu)點(diǎn):一是價(jià)格比CCD器件低15%~25%;二是其芯片的結(jié)構(gòu)可方便地與其它硅基元器件集成,從而可有效地降低整個(gè)系統(tǒng)的成本。盡管過去CMOS圖像傳感器的圖像質(zhì)量比CCD差且分辨率低,然而經(jīng)過迅速改進(jìn),已不斷逼近CCD的技術(shù)水平,這種傳感器件已廣泛應(yīng)用于對(duì)分辨率要求較低的數(shù)字相機(jī)、電子玩具、電視會(huì)議和保安系統(tǒng)的攝像結(jié)構(gòu)中。

日本Nintendo有限公司推出的采用CMOS圖像傳感器的低分辨率數(shù)字相機(jī),上市頭兩個(gè)月,銷售量就達(dá)100萬臺(tái)。三菱公司、摩托羅拉、惠普、東芝和Intel公司也緊接著上市該類產(chǎn)品。

CMOS圖像傳感器件的應(yīng)用

1.數(shù)碼相機(jī)

人們使用膠卷照相機(jī)已經(jīng)上百年了,20世紀(jì)80年代以來,人們利用高新技術(shù),發(fā)展了不用膠卷的CCD數(shù)碼相機(jī)。使傳統(tǒng)的膠卷照相機(jī)產(chǎn)生了根本的變化。電可寫可控的廉價(jià)FLASH ROM的出現(xiàn),以及低功耗、低價(jià)位的CMOS攝像頭的問世。為數(shù)碼相機(jī)打開了新的局面,數(shù)碼相機(jī)功能框圖如右下圖所示。

從圖中可以看出,數(shù)碼相機(jī)的內(nèi)部裝置已經(jīng)和傳統(tǒng)照相機(jī)完全不同了,彩色CMOS攝像頭在電子快門的控制下,攝取一幅照片存于DRAM中,然后再轉(zhuǎn)至FLASH ROM中存放起來。根據(jù)FLASH ROM的容量和圖像數(shù)據(jù)的壓縮水平,可以決定能存照片的張數(shù)。如果將ROM換成PCMCIA卡,就可以通過換卡,擴(kuò)大數(shù)碼相機(jī)的容量,這就像更換膠卷一樣,將數(shù)碼相機(jī)的數(shù)字圖像信息轉(zhuǎn)存至PC機(jī)的硬盤中存貯,這就大大方便了照片的存貯、檢索、處理、編輯和傳送。

2.CMOS數(shù)字?jǐn)z像機(jī)

美國(guó)Omni Vison公司推出的由OV7610型CMOS彩色數(shù)字圖像芯片和OV511型高級(jí)攝像機(jī)以及USB接口芯片所組成的USB攝像機(jī),其分辨率高達(dá)640 x 480,適用于通過通用串行總線傳輸?shù)囊曨l系統(tǒng)。OV511型高級(jí)攝像機(jī)的推出,可使得PC機(jī)能以更加實(shí)時(shí)的方法獲取大量視頻信息,其壓縮芯片的壓縮比可以達(dá)到7:1,從而保證了圖像傳感器到PC機(jī)的快速圖像傳輸。對(duì)于CIF圖像格式,OV511型可支持高達(dá)30幀/秒的傳輸速率、減少了低帶寬應(yīng)用中通常會(huì)出現(xiàn)的圖像跳動(dòng)現(xiàn)象。OV511型作為高性能的USB接口的控制器,它具有足夠的靈活性,適合包括視頻會(huì)議、視頻電子郵件、計(jì)算機(jī)多媒體和保安監(jiān)控等場(chǎng)合應(yīng)用。

3.其他領(lǐng)域應(yīng)用

CMOS圖像傳感器是一種多功能傳感器,由于它兼具CCD圖像傳感器的性能,因此可進(jìn)入CCD的應(yīng)用領(lǐng)域,但它又有自己獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn),所以開拓了許多新的應(yīng)用領(lǐng)域。除了上述介紹的主要應(yīng)用之外,CMOS圖像傳感器還可應(yīng)用于數(shù)字靜態(tài)攝像機(jī)和醫(yī)用小型攝像機(jī)等。例如,心臟外科醫(yī)生可以在患者胸部安裝一個(gè)小"硅眼",以便在手術(shù)后監(jiān)視手術(shù)效果,CCD就很難實(shí)現(xiàn)這種應(yīng)用。

4.應(yīng)用于X光機(jī)市場(chǎng)

在牙科用X光機(jī)市場(chǎng)上,用于從口腔內(nèi)側(cè)給1~2顆牙拍攝X光片的小型CMOS傳感器在歐洲已達(dá)到實(shí)用水平,在美國(guó)也在推廣。而在從口腔外側(cè)拍攝全景X光片的X光機(jī)領(lǐng)域,今后仍將以CCD傳感器為主。

總結(jié)

以上從與CCD的對(duì)比開始,介紹CMOS圖像傳感器器件物理層次的原理、性能、優(yōu)點(diǎn)、不足及應(yīng)對(duì)措施;之后談及了CMOS圖像傳感器的市場(chǎng)狀況以及一些應(yīng)用領(lǐng)域。從中可以看出,作為一種新生的半導(dǎo)體器件,CMOS以其自身的特點(diǎn)表現(xiàn)出了極大的優(yōu)勢(shì)和潛力,這種潛力將在不久的未來進(jìn)一步得到發(fā)揮。

CMOS圖像傳感器造價(jià)信息

市場(chǎng)價(jià) 信息價(jià) 詢價(jià)
材料名稱 規(guī)格/型號(hào) 市場(chǎng)價(jià)
(除稅)
工程建議價(jià)
(除稅)
行情 品牌 單位 稅率 供應(yīng)商 報(bào)價(jià)日期
氨氮PH傳感器 XRP6714DK 查看價(jià)格 查看價(jià)格

南京新銳鵬

臺(tái) 13% 株洲中車機(jī)電科技有限公司
COD傳感器 XRP6602D 查看價(jià)格 查看價(jià)格

南京新銳鵬

臺(tái) 13% 株洲中車機(jī)電科技有限公司
氨氮PH傳感器 型號(hào):DNH1000 查看價(jià)格 查看價(jià)格

天健創(chuàng)新

13% 天健創(chuàng)新(北京)監(jiān)測(cè)儀表股份有限公司
SS傳感器 型號(hào):IDT1000 查看價(jià)格 查看價(jià)格

天健創(chuàng)新

13% 天健創(chuàng)新(北京)監(jiān)測(cè)儀表股份有限公司
COD傳感器 型號(hào):UVC1000 查看價(jià)格 查看價(jià)格

天健創(chuàng)新

13% 天健創(chuàng)新(北京)監(jiān)測(cè)儀表股份有限公司
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南京新銳鵬

臺(tái) 13% 株洲中車機(jī)電科技有限公司
溫度傳感器ES-W DN15 查看價(jià)格 查看價(jià)格

盾安閥門

個(gè) 13% 浙江迪艾智控科技股份有限公司
無磁發(fā)訊傳感器 NWM-HRI(配套WS系列水表) 查看價(jià)格 查看價(jià)格

寧波

臺(tái) 13% 寧波水表股份有限公司
材料名稱 規(guī)格/型號(hào) 除稅
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含稅
信息價(jià)
行情 品牌 單位 稅率 地區(qū)/時(shí)間
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臺(tái)班 汕頭市2012年4季度信息價(jià)
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臺(tái)班 汕頭市2012年2季度信息價(jià)
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臺(tái)班 汕頭市2012年1季度信息價(jià)
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臺(tái)班 汕頭市2011年4季度信息價(jià)
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臺(tái)班 汕頭市2011年2季度信息價(jià)
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臺(tái)班 廣州市2011年1季度信息價(jià)
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臺(tái)班 廣州市2010年4季度信息價(jià)
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臺(tái)班 汕頭市2010年4季度信息價(jià)
材料名稱 規(guī)格/需求量 報(bào)價(jià)數(shù) 最新報(bào)價(jià)
(元)
供應(yīng)商 報(bào)價(jià)地區(qū) 最新報(bào)價(jià)時(shí)間
200萬球型網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)(分辨率1920×1080,cmOS圖像傳感器,最低照度彩色:0. 1、內(nèi)容:200萬球型網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)2、規(guī)格:分辨率 1920×1080;cmOS 圖像傳感器;最低照度彩色: 0.02Lux,黑白:0.002Lux;10M/100M/ 自適應(yīng)以太網(wǎng)口3、配電源適配器、紅外燈、戶外型攝像頭防護(hù)等級(jí)不小于 IP65|11套 1 查看價(jià)格 廣東岑安機(jī)電有限公司 廣東   2021-07-15
網(wǎng)絡(luò)型槍式攝像機(jī)200萬像素(成像器件:逐行掃描200萬像素cmOS圖像傳感器2.8-12mm, 網(wǎng)絡(luò)型槍式攝像機(jī) 200萬像素(成像器件:逐行掃描200萬像素cmOS圖像傳感器2.8-12mm,4倍光學(xué)變倍寬動(dòng)態(tài): 120db最低照度: 0.03 lux (F1.5,50IRE,彩色|12臺(tái) 2 查看價(jià)格 廣州市熹尚科技設(shè)備有限公司 廣東   2021-06-30
(1)名稱:人數(shù)統(tǒng)計(jì)攝像機(jī)(2)類別:300W像素1/2.8英寸cmOS圖像傳感器 大華;DH-IPC-HDW7341X-E2/DS2CS54D0B|1臺(tái) 2 查看價(jià)格 廣州市熹尚科技設(shè)備有限公司 廣東  深圳市 2021-09-17
(1)名稱:客流統(tǒng)計(jì)網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)(2)類別:300W像素1/2.8英寸cmOS圖像傳感器 BLX24/PG58|1臺(tái) 2 查看價(jià)格 廣州市熹尚科技設(shè)備有限公司 廣東  深圳市 2021-09-17
傳感器壓力傳感器,511 1.名稱:傳感器2.規(guī)格:壓力傳感器,511|6套 3 查看價(jià)格 北京金博林科技有限公司 全國(guó)   2020-06-22
PR-G…/0..40°C|1119個(gè) 1 查看價(jià)格 廣州康菱實(shí)業(yè)有限公司 廣東  廣州市 2015-06-05
霍爾傳感器(流速傳感器) 輸出類型 :模擬信號(hào)產(chǎn)品特點(diǎn):低功耗設(shè)計(jì)可識(shí)別正反轉(zhuǎn)、防抖動(dòng) IP68防護(hù)等級(jí),適應(yīng)水浸、高濕環(huán)境工作電壓:2.7V-3.5V 工作電流:≤20uA 工作溫度:-20℃-70℃|20個(gè) 1 查看價(jià)格 江蘇傳生電子科技有限公司 全國(guó)   2022-08-08
傳感器-微壓差傳感器 -|1個(gè) 2 查看價(jià)格 佛山市賀迪傳感儀器有限公司    2015-09-28

在CMOS圖像傳感器芯片上還可以集成其他數(shù)字信號(hào)處理電路,如AD轉(zhuǎn)換器、自動(dòng)曝光量控制、非均勻補(bǔ)償、白平衡處理、黑電平控制、伽瑪校正等,為了進(jìn)行快速計(jì)算甚至可以將具有可編程功能的DSP器件與CMOS器件集成在一起,從而組成單片數(shù)字相機(jī)及圖像處理系統(tǒng)。

1963年Morrison發(fā)表了可計(jì)算傳感器,這是一種可以利用光導(dǎo)效應(yīng)測(cè)定光斑位置的結(jié)構(gòu),成為CMOS圖像傳感器發(fā)展的開端。1995年低噪聲的CMOS有源像素傳感器單片數(shù)字相機(jī)獲得成功。

CMOS圖像傳感器具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn):1)、隨機(jī)窗口讀取能力。隨機(jī)窗口讀取操作是CMOS圖像傳感器在功能上優(yōu)于CCD的一個(gè)方面,也稱之為感興趣區(qū)域選取。此外,CMOS圖像傳感器的高集成特性使其很容易實(shí)現(xiàn)同時(shí)開多個(gè)跟蹤窗口的功能。2)、抗輻射能力。總的來說,CMOS圖像傳感器潛在的抗輻射性能相對(duì)于CCD性能有重要增強(qiáng)。3)、系統(tǒng)復(fù)雜程度和可靠性。采用CMOS圖像傳感器可以大大地簡(jiǎn)化系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)。4)、非破壞性數(shù)據(jù)讀出方式。5)、優(yōu)化的曝光控制。值得注意的是,由于在像元結(jié)構(gòu)中集成了多個(gè)功能晶體管的原因,CMOS圖像傳感器也存在著若干缺點(diǎn),主要是噪聲和填充率兩個(gè)指標(biāo)。鑒于CMOS圖像傳感器相對(duì)優(yōu)越的性能,使得CMOS圖像傳感器在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

美國(guó)高清高速CMOS圖像傳感器

DYNAMAX-11:潘納維申影像這顆新的傳感器含有的全局電子曝光快門技術(shù),極大地改善了工業(yè)成像在室內(nèi)和室外的應(yīng)用。這顆新發(fā)布的DYNAMAX-11圖像傳感器適合用于機(jī)器視覺、安防監(jiān)控、智能交通、生命科學(xué)、生物醫(yī)療、科學(xué)影像、高清錄像、電視廣播等工業(yè)成像領(lǐng)域。這顆新發(fā)布的DYNAMAX-11圖像傳感器含有320萬像素,像素大小為5.0?m × 5.0?m。DYNAMAX-11具有以下一些特點(diǎn):

1:高靈敏度,低噪聲。DYNAMAX-11在卷簾曝光的模式下,可以實(shí)現(xiàn)小于4 electrons rms噪聲,在全局曝光的模式下,可以實(shí)現(xiàn)小于8 electrons rms噪聲。

2:寬的光譜響應(yīng)范圍,覆蓋從可見光到紅外。

3: DYNAMAX-11具有快速的輸出能力,可以達(dá)到全尺寸3.2M輸出時(shí),60幀/秒,和HDTV1920*1080輸出時(shí),72幀/秒的輸出速度。

4:高動(dòng)態(tài)模式下的動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)120分貝.

DYNAMAX-11采用了CLCC封裝,非常便于客戶的安裝焊接和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。DYNAMAX-11 適合3/4英寸的光學(xué)尺寸。同時(shí),DYNAMAX-11對(duì)應(yīng)高清電視格式要求(HDTV,1080i,16:9),也設(shè)計(jì)了感興趣區(qū)域的2/3英寸的200萬像素光學(xué)格式(對(duì)角線11毫米)。

DYNAMAX-11彩色和黑白兩種芯片的樣片正提供給PVI的客戶.

CMOS圖像傳感器常見問題

CMOS圖像傳感器文獻(xiàn)

CCD和CMOS圖像傳感器性能比較 CCD和CMOS圖像傳感器性能比較

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CCD和CMOS圖像傳感器性能比較

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題 目 CMOS 圖像傳感器的工作原理及應(yīng)用 姓 名 張兆龍 所在學(xué)院 應(yīng)用科技學(xué)院 專業(yè)班級(jí) 電子信息工程 2 班 學(xué) 號(hào) 2010191213307 日 期 2011 年 12 月 3 日 第 1頁 共 10頁 2 摘要 隨著集成電路制造工藝技術(shù)的發(fā)展和集成電路設(shè)計(jì)水平的不斷提高,基于 CMOS集成電路工藝技術(shù)制造的 CMOS圖像傳感器由于其集成度高、功耗低、體 積小、工藝簡(jiǎn)單、成本低且開發(fā)周期較短等優(yōu)勢(shì),目前在諸多領(lǐng)域得到了廣泛 的應(yīng)用,特別是數(shù)碼產(chǎn)品如數(shù)碼相機(jī)、照相手機(jī)的圖像傳感器應(yīng)用方面,市場(chǎng) 前景廣泛,因此對(duì) CMOS圖像傳感器的研究與開發(fā)有著非常高的市場(chǎng)價(jià)值。 本文首先介紹了 CMOS圖像傳感器的發(fā)展歷程和工作原理及應(yīng)用現(xiàn)狀。 隨后 敘述了 CMOS圖像傳感器的像元、 結(jié)構(gòu)及工作原理, 著重說明了成像原理和圖像 信號(hào)的讀取和處理過程,以及在數(shù)

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第1章引言

1.1綜述

1.2CMOS圖像傳感器的簡(jiǎn)史

1.3智能CMOS圖像傳感器發(fā)展簡(jiǎn)史

1.4本書的內(nèi)容安排

第2章CMOS圖像傳感器技術(shù)基礎(chǔ)

2.1概述

2.2光電探測(cè)器的基本原理

2.2.1吸收系數(shù)

2.2.2少數(shù)載流子的行為

2.2.3靈敏度和量子效率

2.3智能CMOS圖像傳感器中的光電探測(cè)器

2.3.1PN結(jié)光電二極管

2.3.2光電門

2.3.3光電晶體管

2.3.4雪崩光電二極管

2.3.5光電導(dǎo)探測(cè)器

2.4PD的積累模式

2.4.1積累模式下的電勢(shì)變化

2.4.2勢(shì)壘描述

2.4.3PD中光生載流子的運(yùn)動(dòng)

2.5基本像素結(jié)構(gòu)

2.5.1無源像素傳感器

2.5.23TAPS有源像素傳感器

2.5.34TAPS有源像素傳感器

2.6傳感器的外設(shè)

2.6.1尋址

2.6.2讀出電路

2.6.3模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器

2.7傳感器的基本特性

2.7.1噪聲

2.7.2動(dòng)態(tài)范圍

2.7.3速度

2.8色彩

2.9像素共享

2.10像素結(jié)構(gòu)比較

2.11與CCD的比較

第3章智能功能和材料

3.1簡(jiǎn)介

3.2像素結(jié)構(gòu)

3.2.1電流模式

3.2.2對(duì)數(shù)傳感器

3.3模擬域操作

3.3.1WTA模式

3.3.2映射

3.3.3電阻網(wǎng)絡(luò)

3.4脈沖調(diào)制

3.4.1脈沖寬度調(diào)制

3.4.2脈沖頻率調(diào)制

3.5數(shù)字處理

3.6硅以外的材料

3.6.1絕緣體上硅

3.6.2擴(kuò)展檢測(cè)波長(zhǎng)

3.7非標(biāo)準(zhǔn)CMOS技術(shù)結(jié)構(gòu)

3.7.13D集成

3.7.2集成光發(fā)射器

3.7.3通過非標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)顏色識(shí)別

第4章智能成像

4.1簡(jiǎn)介

4.2低光成像

4.2.1低光成像中的主動(dòng)復(fù)位

4.2.2PFM在低光成像中的應(yīng)用

4.2.3差分APS

4.2.4采用Geiger模式APD的智能CMOS圖像傳感器

4.3高速度

4.3.1全局快門

4.4寬動(dòng)態(tài)范圍

4.4.1寬動(dòng)態(tài)范圍的原理

4.4.2雙重敏感性

4.4.3非線性響應(yīng)

4.4.4多次采樣

4.4.5飽和探測(cè)

4.4.6亮度擴(kuò)散

4.5解調(diào)

4.5.1解調(diào)的原理

4.5.2相關(guān)法

4.5.3雙電荷存儲(chǔ)區(qū)法

4.6三維測(cè)距

4.6.1時(shí)差測(cè)距

4.6.2三角測(cè)距

4.6.3關(guān)鍵值深度法

4.7目標(biāo)追蹤

4.7.1用于目標(biāo)追蹤的最大值檢測(cè)法

4.7.2用于目標(biāo)追蹤的投影法

4.7.3基于電阻網(wǎng)絡(luò)及其他模擬處理的目標(biāo)追蹤

4.7.4基于數(shù)字處理的目標(biāo)追蹤

4.8像素與光學(xué)系統(tǒng)的專用裝置

4.8.1非正交排列

4.8.2專用光學(xué)系統(tǒng)

第5章應(yīng)用

5.1引言

5.2信息和通信應(yīng)用

5.2.1光學(xué)識(shí)別標(biāo)簽

5.2.2無線光通信

5.3生物技術(shù)的應(yīng)用

5.3.1多模式功能的智能圖像傳感器

5.3.2結(jié)合MEMS技術(shù)電位成像

5.3.3光學(xué)和電化學(xué)成像的智能CMOS傳感器

5.3.4熒光探測(cè)

5.4醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用

5.4.1膠囊型內(nèi)窺鏡

5.4.2視網(wǎng)膜假體

附錄A常量表

附錄B光照度

附錄C人眼和CMOS圖像傳感器

附錄DMOS電容的基本特性

附錄EMOSFET的基本特性

附錄F光學(xué)格式和分辨率

參考文獻(xiàn)

特點(diǎn)

CMOS傳感器采用一般半導(dǎo)體電路最常用的CMOS工藝,具有集成度高、功耗小、速度快、成本低等特點(diǎn),最近幾年在寬動(dòng)態(tài)、低照度方面發(fā)展迅速。CMOS即互補(bǔ)性金屬氧化物半導(dǎo)體,主要是利用硅和鍺兩種元素所做成的半導(dǎo)體,通過CMOS上帶負(fù)電和帶正電的晶體管來實(shí)現(xiàn)基本的功能。這兩個(gè)互補(bǔ)效應(yīng)所產(chǎn)生的電流即可被處理芯片記錄和解讀成影像。

在模擬攝像機(jī)以及標(biāo)清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)中,CCD的使用最為廣泛,長(zhǎng)期以來都在市場(chǎng)上占有主導(dǎo)地位。CCD的特點(diǎn)是靈敏度高,但響應(yīng)速度較低,不適用于高清監(jiān)控?cái)z像機(jī)采用的高分辨率逐行掃描方式,因此進(jìn)入高清監(jiān)控時(shí)代以后,CMOS逐漸被人們所認(rèn)識(shí),高清監(jiān)控?cái)z像機(jī)普遍采用CMOS感光器件。

CMOS針對(duì)CCD最主要的優(yōu)勢(shì)就是非常省電。不像由二級(jí)管組成的CCD,CMOS電路幾乎沒有靜態(tài)電量消耗。這就使得CMOS的耗電量只有普通CCD的1/3左右,CMOS重要問題是在處理快速變換的影像時(shí),由于電流變換過于頻繁而過熱,暗電流抑制的好就問題不大,如果抑制的不好就十分容易出現(xiàn)噪點(diǎn)。

已經(jīng)研發(fā)出720P與1080P專用的背照式CMOS器件,其靈敏度性能已經(jīng)與CCD接近。與表面照射型CMOS傳感器相比,背照式CMOS在靈敏度(S/N)上具有很大優(yōu)勢(shì),顯著提高低光照條件下的拍攝效果,因此在低照度環(huán)境下拍攝,能夠大幅降低噪點(diǎn)。

雖然以CMOS技術(shù)為基礎(chǔ)的百萬像素?cái)z像機(jī)產(chǎn)品在低照度環(huán)境和信噪處理方面存在不足,但這并不會(huì)根本上影響它的應(yīng)用前景。而且相關(guān)國(guó)際大企業(yè)正在加大力度解決這兩個(gè)問題,相信在不久的將來,CMOS的效果會(huì)越來越接近CCD的效果,并且CMOS設(shè)備的價(jià)格會(huì)低于CCD設(shè)備。

安防行業(yè)使用CMOS多于CCD已經(jīng)成為不爭(zhēng)的事實(shí),盡管相同尺寸的CCD傳感器分辨率優(yōu)于CMOS傳感器,但如果不考慮尺寸限制,CMOS在量率上的優(yōu)勢(shì)可以有效克服大尺寸感光原件制造的困難,這樣CMOS在更高分辨率下將更有優(yōu)勢(shì)。另外,CMOS響應(yīng)速度比CCD快,因此更適合高清監(jiān)控的大數(shù)據(jù)量特點(diǎn)。

歷史

與CCD相比,CMOS具有體積小,耗電量不到CCD的1/10,售價(jià)也比CCD便宜1/3的優(yōu)點(diǎn)。

與CCD產(chǎn)品相比,CMOS是標(biāo)準(zhǔn)工藝制程,可利用現(xiàn)有的半導(dǎo)體設(shè)備,不需額外的投資設(shè)備,且品質(zhì)可隨著半導(dǎo)體技術(shù)的提升而進(jìn)步。同時(shí),全球晶圓廠的CMOS生產(chǎn)線較多,日后量產(chǎn)時(shí)也有利于成本的降低。另外,CMOS傳感器的最大優(yōu)勢(shì),是它具有高度系統(tǒng)整合的條件。理論上,所有圖像傳感器所需的功能,例如垂直位移、水平位移暫存器、時(shí)序控制、CDS、ADC…等,都可放在集成在一顆晶片上,甚至于所有的晶片包括后端晶片(Back-end Chip)、快閃記憶體(Flash RAM)等也可整合成單晶片(SYSTEM-ON-CHIP),以達(dá)到降低整機(jī)生產(chǎn)成本的目的。

正因?yàn)榇?,投入研發(fā)、生產(chǎn)的廠商較多,美國(guó)有30多家,歐洲7家,日本約8家,韓國(guó)1家,臺(tái)灣有8家。而居全球翹楚地位的廠商是Agilent(HP),其市場(chǎng)占有率51%、ST(VLSI Vision)占16%、Omni Vision占13%、現(xiàn)代占8%、Photobit約占5%,這五家合計(jì)市占率達(dá)93%。

根據(jù)In-Stat統(tǒng)計(jì)資料顯示,CMOS傳感器的全球銷售額到2004年可望突破18億美元,CMOS將以62%的年復(fù)合成長(zhǎng)率快速成長(zhǎng),逐步侵占CCD器件的應(yīng)用領(lǐng)域。特別是在2013年快速發(fā)展的手機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域中,以CMOS圖像傳感器為主的攝相模塊將占領(lǐng)其80%以上的應(yīng)用市場(chǎng)。

市場(chǎng)

CMOS圖像傳感器屬于新興產(chǎn)品市場(chǎng),其市場(chǎng)占有率變化不如成熟產(chǎn)業(yè)那般恒常不變,例如在1999年時(shí),CMOS市場(chǎng)中,按照出貨比例排名依序?yàn)锳gilent、OmniVision、STM和Hyundai,其市場(chǎng)占有率分別為24%、22%、14%和14%,其中STM是歐洲廠商,Hyundai是韓國(guó)廠商;但只經(jīng)過一年后的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng),Agilent和OmniVision出貨排名順序仍然分居一、二,且市場(chǎng)占有率分別提升到37.7%和30.8%,而STM落居第四,市場(chǎng)占有率大幅滑落至4.8%,至于Hyundai更是大幅衰退只剩2.1%的市場(chǎng)占有率,值得一提的是Photobi在2000年度的大幅成長(zhǎng),全球市場(chǎng)占有率快速成長(zhǎng)至13.7%,排名全球第三。這三家廠商出貨量就占全球出貨量的82.2%。從中可以分析,這個(gè)產(chǎn)業(yè)的廠商集中度相當(dāng)密集,所以觀察上述三家廠商的動(dòng)態(tài)和發(fā)展,可看出許產(chǎn)業(yè)和技術(shù)未來發(fā)展方向。

Agilent主要的產(chǎn)品為第二代的CIF(352*288)HDCS-1020和第二代的VGA(640*480)HDCS-2020,主要應(yīng)用在數(shù)碼相機(jī) 、行動(dòng)電話、PDA、PC Camera等新興的資訊家電產(chǎn)品之中,此外Agilent在2000年另一成功策略是和Logitech與Microsoft這兩家公司策略聯(lián)盟,打入了光學(xué)鼠標(biāo)產(chǎn)品領(lǐng)域,但是這是非常低階的CMOS產(chǎn)品,而且不是為了捕捉影像 ,所以在做影像感測(cè)器的全球統(tǒng)計(jì)時(shí)并未將此數(shù)量一并加入,但是此舉可看出Agilent以CMOS技術(shù)為基礎(chǔ)進(jìn)軍光學(xué)元件的規(guī)劃意圖。

OmniVision它主要的產(chǎn)品包括︰CIF(352 x 288)、VGA(640 x 480)、SVGA(800 x 600)和SXGA(1280 x 1024)。Omnivision開發(fā)的130萬像素等級(jí)的CMOS圖像傳感器正在被業(yè)界大量應(yīng)用在數(shù)碼相機(jī)中。業(yè)界一般認(rèn)為,百萬像素為使用CMOS和CCD的分水嶺,CMOS成功跨進(jìn)這一市場(chǎng),足以說明CMOS技術(shù)發(fā)展對(duì)市場(chǎng)的滲透度,未來可能將取代CCD成為中低檔影像產(chǎn)品的不留應(yīng)用。Omnivision在2001年5月開發(fā)的CIF(352 x 288)等級(jí)的CMOS傳感器,其特色為低秏電,目標(biāo)市場(chǎng)定位在移動(dòng)電話上,其產(chǎn)品發(fā)展策略和各大研究調(diào)查機(jī)構(gòu)不謀而合,在移動(dòng)電話市場(chǎng)上,CMOS模組的攝相模塊已經(jīng)成為移動(dòng)通訊應(yīng)用的最大量產(chǎn)品。

Photobit在2000年獲得較大成功。2001年P(guān)hotobit率先研發(fā)出PB-0330產(chǎn)品型號(hào)的CMOS圖像傳感器,此產(chǎn)品特色具備單一晶片邏輯轉(zhuǎn)數(shù)位的變頻器,它是第二代1/4寸的VGA(640 x 480),同時(shí)也推出PB-0111產(chǎn)品型號(hào)的CMOS影像感測(cè)器,是第二代1/5寸的CIF(352 x 288)。Photobit推出這兩種產(chǎn)品主要針對(duì)數(shù)碼相機(jī)和PC Camera的數(shù)位化產(chǎn)品,和OmniVision CIF(352 x 288)定位在行動(dòng)電話市場(chǎng)上有所區(qū)隔,其推出CIF(352 x 288)和VGA(640 x 480)這兩種不同解析程度的影像感測(cè)器,行銷范圍意圖含蓋低階和中高階市場(chǎng)。

發(fā)展

2013年業(yè)界發(fā)展了CMOS圖像傳感器新技術(shù)--C3D。C3D技術(shù)的最大特點(diǎn)就是像素反應(yīng)的均一性。C3D技術(shù)重新定義了成像器的性能(即把系統(tǒng)的整體性能包括在內(nèi))并提高了CMOS圖像傳感器在均一性和暗電流方面的標(biāo)準(zhǔn)性能。

2014年初,美國(guó)Foveon公司公開展示了其最新發(fā)展的Foveon X3技術(shù),立即引起業(yè)界的高度關(guān)注。Foveon X3是全球第一款可以在一個(gè)像素上捕捉全部色彩的圖像傳感器陣列。傳統(tǒng)的光電耦合器件只能感應(yīng)光線強(qiáng)度,不能感應(yīng)色彩信息,需要通過濾色鏡來感應(yīng)色彩信息,我們稱之為Bayer濾鏡。而Foveon X3在一個(gè)像素上通過不同的深度來感應(yīng)色彩,最表面一層感應(yīng)藍(lán)色、第二層可以感應(yīng)綠色,第三層感應(yīng)紅色。它是根據(jù)硅對(duì)不同波長(zhǎng)光線的吸收效應(yīng)來達(dá)到一個(gè)像素感應(yīng)全部色彩信息,已經(jīng)有了使用這種技術(shù)的CMOS圖像傳感器,其應(yīng)用產(chǎn)品是"Sigma SD9"數(shù)碼相機(jī)。

這項(xiàng)革新技術(shù)可以提供更加銳利的圖像,更好的色彩,比起以前的圖像傳感器,X3是第一款通過內(nèi)置硅光電傳感器來檢測(cè)色彩的。Foveon X3的技術(shù)對(duì)于傳統(tǒng)半導(dǎo)體感光技術(shù)來說有很大的突破,也有顛覆傳統(tǒng)技術(shù)的效果,相信Foveon X3會(huì)有很好的前景。

在高分辨率像素產(chǎn)品方面,日前臺(tái)灣銳視科技已領(lǐng)先業(yè)界批量推出了210萬像素的CMOS圖像傳感器,而且已有美商與臺(tái)灣的光學(xué)鏡頭廠合作,將在第三季推出此款CMOS傳感器結(jié)合鏡頭的模組,CMOS應(yīng)用已經(jīng)開始在200萬像素?cái)?shù)碼相機(jī)產(chǎn)品中應(yīng)用。

對(duì)比

CCD提供很好的圖像質(zhì)量、抗噪能力和相機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)的靈活性。盡管由于增加了外部電路使得系統(tǒng)的尺寸變大,復(fù)雜性提高,但在電路設(shè)計(jì)時(shí)可更加靈活,可以盡可能的提升CCD相機(jī)的某些特別關(guān)注的性能。CCD更適合于對(duì)相機(jī)性能要求非常高而對(duì)成本控制不太嚴(yán)格的應(yīng)用領(lǐng)域,如天文,高清晰度的醫(yī)療X光影像、和其他需要長(zhǎng)時(shí)間曝光,對(duì)圖像噪聲要求嚴(yán)格的科學(xué)應(yīng)用。

CMOS是能應(yīng)用當(dāng)代大規(guī)模半導(dǎo)體集成電路生產(chǎn)工藝來生產(chǎn)的圖像傳感器,具有成品率高、集成度高、功耗小、價(jià)格低等特點(diǎn)。CMOS技術(shù)是世界上許多圖像傳感器半導(dǎo)體研發(fā)企業(yè)試圖用來替代CCD的技術(shù)。經(jīng)過多年的努力,作為圖像傳感器,CMOS已經(jīng)克服早期的許多缺點(diǎn),發(fā)展到了在圖像品質(zhì)方面可以與CCD技術(shù)較量的水平。CMOS的水平使它們更適合應(yīng)用于要求空間小、體積小、功耗低而對(duì)圖像噪聲和質(zhì)量要求不是特別高的場(chǎng)合。如大部分有輔助光照明的工業(yè)檢測(cè)應(yīng)用、安防保安應(yīng)用、和大多數(shù)消費(fèi)型商業(yè)數(shù)碼相機(jī)應(yīng)用。

自鴻蒙而始,人類就是通過眼、耳、鼻、口、舌等器官來感知外界客觀世界的,其中80%以上的信息來自于視覺。新技術(shù)的革命使人類社會(huì)開始進(jìn)入信息時(shí)代,被稱為“電五官”的傳感器是獲取自然和生產(chǎn)領(lǐng)域中信息的主要途徑與手段。固體圖像傳感器作為人類視覺器官的延伸,是一種高度集成化的半導(dǎo)體光敏元陣列,具有體積小、工作電壓低、性能穩(wěn)定、畸變小等優(yōu)點(diǎn)。

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