6/6新型CMOS圖像傳感器原理及應(yīng)用Metaloxidesemiconductor(ComplementaryMetal-OxideSemiconductor,CMOS)imagesensorandachargecoupleddevice(ChargeCoupledDevice,CCD)imagingdevicein20yearsagoalmostsimultaneouslystarted.CCDistheapplicationofphotographichigh-endtechnologyelementsinphotography,CMOSisappliedtothelowerimagequalityproducts.TheCCDdevicehastheadvantagesofhighsensitivity,lownoise,light,smallpixels,sointhepast15yearsithasdominatedtheimagesensormarket.Incontrast,CMOSimagesensorpixelexistedinthepast,thesignal-to-noiseratioissmall,lowresolutionoftheseshortcomings,hasbeenunabletocompeteandCCDtechnology.Butwiththedevelopmentoflarge-scaleintegratedcircuittechnology,thepastmanufacturingaCMOSimagesensorisnoteasytosolveintheprocessoftechnicaldifficultieshavetofindwaystosolvethecorresponding,thusgreatlyimprovestheimagequalityofCMOSimagesensor.金屬氧化物半導(dǎo)體元件(ComplementaryMetal-OxideSemiconductor，CMOS)圖像傳感器和電荷耦合元件(ChargeCoupledDevice，CCD)攝像器件在20年前幾乎是同時起步的。CCD是應(yīng)用在攝影攝像方面的高端技術(shù)元件，CMOS則應(yīng)用于較低影像品質(zhì)的產(chǎn)品中。由于CCD器件有光照靈敏度高、噪音低、像素小等優(yōu)點(diǎn)，所以在過去15年里它一直主宰著圖像傳感器市場。與之相反，CMOS圖像傳感器過去存在著像素大，信噪比小，分辨率低這些缺點(diǎn)，一直無法和CCD技術(shù)抗衡。但是隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的不斷發(fā)展，過去CMOS圖像傳感器制造工藝中不易解決的技術(shù)難關(guān)現(xiàn)已都能找到相應(yīng)解決的途徑，從而大大改善了CMOS圖像傳感器的圖像質(zhì)量。

一、基本原理從某一方面來說,CMOS圖像傳感器在每個像素位置內(nèi)都有一個放大器,這就使其能在很低的帶寬情況下把離散的電荷信號包轉(zhuǎn)換成電壓輸出,而且也僅需要在幀速率下進(jìn)行重置。CMOS圖像傳感器的優(yōu)點(diǎn)之一就是它具有低的帶寬,并增加了信噪比。由于制造工藝的限制,早先的CMOS圖像傳感器無法將放大器放在像素位置以內(nèi)。這種被稱為PPS的技術(shù),噪聲性能很不理想,而且還引來對CMOS圖像傳感器的種種干擾。然而今天,隨著整理工藝的提高,使在像素內(nèi)部增加復(fù)雜功能的想法成為可能?，F(xiàn)在,在像素位置以內(nèi)已經(jīng)能增加諸如電子開關(guān)、互阻抗放大器和用來降低固定圖形噪聲的相關(guān)雙采樣保持電路以及消除噪聲等多種附加功能。實(shí)際上,在Conexant公司（前Rockwell半導(dǎo)體公司）的一臺先進(jìn)的CMOS攝像機(jī)所用的CMOS圖傳感器上,每一個像素中都設(shè)計(jì)并使用了6個晶體管,測試到的讀出噪聲只有1均方根電子。不過,隨著像素內(nèi)電路數(shù)量的不斷增加,留給感光二極管的空間逐漸減少,為了避免這個比例（又稱占空因數(shù)或填充系數(shù)）的下降,一般都使用微透鏡,這是因?yàn)槊總€像素位置上的微小透鏡都能改變?nèi)肷涔饩€的方向,使得本來會落到連接點(diǎn)或晶體管上的光線重回到對光敏感的二極管區(qū)域。因?yàn)殡姾杀幌拗圃谙袼匾詢?nèi),所以CMOS圖像傳感器的另一個固有的優(yōu)點(diǎn)就是它的防光暈特性。在像素位置內(nèi)產(chǎn)生的電壓先是被切換到一個縱列的緩沖區(qū)內(nèi),然后再被傳輸?shù)捷敵龇糯笃髦?因此不會發(fā)生傳輸過程中的電荷損耗以及隨后產(chǎn)生的光暈現(xiàn)象。它的不利因素是每個像素中放大器的閾值電壓都有細(xì)小的差別,這種不均勻性就會引起固定圖像噪聲。然而,隨著CMOS圖像傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造工藝的不斷改進(jìn),這種效應(yīng)已經(jīng)得到顯著弱化。這種多功能的集成化,使得許多以前無法應(yīng)用圖像技術(shù)的地方現(xiàn)在也變得可行了,如孩子的玩具,更加分散的保安攝像機(jī)、嵌入在顯示器和膝上型計(jì)算機(jī)顯示器中的攝像機(jī)、帶相機(jī)的移動電路、指紋識別系統(tǒng)、甚至于醫(yī)學(xué)圖像上所使用的一次性照相機(jī)等,這些都已在某些設(shè)計(jì)者的考慮之中。二，圖像的預(yù)處理過程及方法

為了得到良好的圖像質(zhì)量，需要對所采集的原始圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。一般上，圖像的預(yù)處理是在協(xié)處理器中完成的。最近，隨著SoC技術(shù)的發(fā)展，可以在CMOS傳感器中集成圖像預(yù)處理功能．這正顯示了CMOS圖像傳感器的優(yōu)勢所在。

圖像的預(yù)處理主要包括了缺陷修正、去除FPN噪聲、色彩差值，圖像銳化差值、光圈修正、Gamma修正等一系列處理。

通過數(shù)字圖像處理算法來實(shí)現(xiàn)來實(shí)現(xiàn)上述的圖像預(yù)處理過程，其硬件平臺可以是集成在SoC中的圖像處理電路、ASIC圖像處理芯片，或通用的DSP芯片。首先是消除圖像中的缺陷，如果某一個像素中有缺陷，而導(dǎo)致了其輸出電平被鉗位于高電乎(黑點(diǎn))或低電平(白點(diǎn))，就需要通過圖像處理來進(jìn)行彌補(bǔ)。通常是使用其周圍相同顏色像素的平均值來代替該像素的輸出值。

通常情況下，不同列的列模／數(shù)轉(zhuǎn)換器存在著差異，這就導(dǎo)致了固定模式噪聲(fixedPatternNoise，F(xiàn)PN)的產(chǎn)生。圖4中BlackLines中的數(shù)據(jù)就是用來消除FPN的。協(xié)處理器會利用這一部分?jǐn)?shù)據(jù)來達(dá)到消除FPN的目的。

由于每個像素上為某種彩色濾光片，所以要通過色彩差值來得到其余兩種色彩信息。Gamma修正是為了消除在電學(xué)器件和光學(xué)器件之間在信號傳輸上的非線性效應(yīng)。

從以上的圖像處理過程可知，許多算法中使用了差值，這就導(dǎo)致了圖像的平滑化，而為了恢復(fù)銳利的圖像，就需要進(jìn)行光圈修正。在圖像處理中，通過邊緣檢測而得到的銳化邊緣對差值后的平滑圖像進(jìn)行卷積，從而得到銳利的圖像。

三，CMOS圖像傳感器的應(yīng)用

微型攝象機(jī)在很多應(yīng)用場合,隱蔽攝象機(jī)必須大大縮小攝象機(jī)的體積,采用CMOS圖象傳感器可方便地做到這一點(diǎn)。目前國內(nèi)市場上銷售的DV-5016型微型黑白攝象機(jī)(16mm×16mm×12mm),其功耗只有50mW,配以高效可充電電池,即使全天候工作,也不會引起電路過熱和圖象質(zhì)量變差。近來推出中分辨率的CMOS黑白微型攝象機(jī),其靈敏度高達(dá)60.1lx,圖象清晰度可等同于CCD攝象機(jī)。目前可視門鈴或可視電話都是CCD非隱蔽式的。隨著治安要求不斷提高,為確保門外或室內(nèi)外的攝象系統(tǒng)不被識破而遭到破壞,在室內(nèi)外安裝隱蔽式攝象系統(tǒng)將成為家用消費(fèi)系統(tǒng)的一種趨勢。對于CMOS微型攝象機(jī),只要配有管狀鏡頭,就能達(dá)到隱蔽而難被破壞的目的。微型CMOS攝象機(jī)的各種配置已在汽車尾視、內(nèi)視-Tax司機(jī)的監(jiān)視系統(tǒng)、塔吊起重、汽車防盜、電梯監(jiān)控、超市防盜、銀行監(jiān)控、焦點(diǎn)采訪、監(jiān)獄、緝私等許多領(lǐng)域中得到應(yīng)用。由于其安裝簡便、使用方便、自動啟動、自動錄象、費(fèi)用低,使其應(yīng)用也越來越廣泛。手表式數(shù)碼相機(jī)日本卡西歐計(jì)算機(jī)公司于2000年3月推出手表式CMOS數(shù)碼相機(jī)。該相機(jī)平?？梢援?dāng)作手表使用,需要攝影時則可當(dāng)作相機(jī)。與一般CCD數(shù)碼相機(jī)相比該產(chǎn)品小巧玲瓏,更適合隨身攜帶,隨時拍攝。另外該相機(jī)還可以將電話號碼與對方的照片一起編排存儲,估計(jì)會受到年輕人的喜愛。CMOS手表式相機(jī)的重量為32g,外形尺寸為52mm×44mm×16mm,定價(jià)為2.2萬日元。手表式相機(jī)上配有按鈕,可以切換時間顯示模式和攝影模式,所拍攝的照片為黑白。所拍照片還可以在手表的顯示表盤上編輯。在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用在醫(yī)療領(lǐng)域,可將CMOS圖象傳感器應(yīng)用于一種醫(yī)療x射線機(jī),該機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是病人所受x射線的劑量較小,比傳統(tǒng)方式的1/100還要低,同時其形成的數(shù)字圖象不僅比x射線膠片更易保存,而且由于它可以進(jìn)行進(jìn)一步的修改、比較等操作,所以還可以為醫(yī)生進(jìn)行診斷和治療提供幫助。CMOS圖象傳感器除用于醫(yī)用x射線產(chǎn)品外,還可用CMOS圖象傳感器組裝成超微型攝象機(jī),心臟外科醫(yī)生可以在患者胸部安裝一個微小型CMOS攝象機(jī)(俗稱“電子眼”),以便在手術(shù)后監(jiān)視手術(shù)效果,CCD圖象傳感器就很難實(shí)現(xiàn)這種應(yīng)用。四，結(jié)束語圖象傳感器是繼CCD圖象傳感器發(fā)展之后深受人們歡迎的多功能攝象器件,它采用單電源工作、單片集成、集成度高、功耗低、成本低、自動記時、隨機(jī)存取、無損讀取、抗光暈和耐輻射。隨著亞微米工藝的不斷發(fā)展和器件結(jié)構(gòu)的改進(jìn),該器件的性能不斷提高。已發(fā)展了無源型和有源型CMOS圖象傳感