6.3.1光譜響應(yīng)與量子效率CMOS的光譜特性和量子效率取決于它的像元（光電二極管）。圖6-30所示為CMOS的光譜響應(yīng)特性曲線。圖6-30CMOS像元光譜響應(yīng)特性曲線6.3.2填充因子它是受光面積對(duì)像元全部面積之比，它對(duì)器件的靈敏度、噪聲、時(shí)間響應(yīng)、模傳遞函數(shù)MTF等都有影響。提高填充因子的方法有兩種。（1）采用微透鏡法如圖6-31所示，在CMOS成像元上方設(shè)置微透鏡，將入射到像元的光線會(huì)聚到光敏面上，填充因子可提高到90%以上。圖6-31微透鏡的作用6.3CMOS的特性指標(biāo)圖6-32所示為一種填充率較高的CMOS的像元結(jié)構(gòu)，它的表面有光電二極管和其他電路，二者是隔離的。（2）采用特殊的像元結(jié)構(gòu)圖6-32高填充率的CMOS像元結(jié)構(gòu)圖6-33所示為像元兩個(gè)截面的電位分布圖。圖6-33

CMOS傳感器像元兩個(gè)截面的表面勢分布截面A截面B電位低，阻擋光電子電位高，吸引光電子CMOS有4種輸出模式：線性模式、雙斜率模式、對(duì)數(shù)特性模式和γ校正模式。如圖6-34所示為4種輸出模式的曲線。6.3.3輸出特性與動(dòng)態(tài)范圍圖6-344種輸出模式關(guān)系曲線（1）線性輸出模式適用于要求進(jìn)行連續(xù)測量的場合。（2）雙斜率輸出模式雙斜率擴(kuò)大了動(dòng)態(tài)范圍。（3）對(duì)數(shù)輸出模式既增大動(dòng)態(tài)范圍，又能適合人眼對(duì)圖像的響應(yīng)規(guī)律，因此，有良好的應(yīng)用價(jià)值。（4）γ校正模式γ校正模式輸出規(guī)律為6.3.4噪聲（1）光電二極管噪聲①熱噪聲②散粒噪聲③產(chǎn)生復(fù)合噪聲④電流噪聲（2）MOS場效應(yīng)管噪聲（3）CMOS中的工作噪聲①復(fù)位噪聲

②空間噪聲

空間噪聲包括暗電流不均勻引起的固定圖案噪聲（FPN）、暗電流產(chǎn)生與復(fù)合不均勻引起的噪聲，像元缺陷帶來的響應(yīng)不均勻引起的噪聲和成像器件中存在溫度梯度引起的熱圖案噪聲等。利用像元尺寸b和像元間隔S等參數(shù)，很容易推導(dǎo)出CMOS成像器件的理論空間傳遞函數(shù)6.3.5空間傳遞函數(shù)式中，f是空間頻率。T（f）=0的空間頻率稱為奈奎斯特（Nyquis）頻率fN。從上式可求得此式的曲線如圖6-35所示。圖6-35CMOS傳感器的空間傳遞函數(shù)曲線6.3.6CMOS與CCD的比較這兩種器件采用同樣的硅（Si）材料制作，其性能比較如表6-2所示。序號(hào)參

數(shù)CMOSCCD1填充率接近100%

2暗電流（PA/M2）10~100103噪聲電子數(shù)≤20≤504FPN（%）可在邏輯電路中校正＜15DRNU（%）＜101~106工藝難度小大7光探測技術(shù)

可優(yōu)化8像元放大器有無9信號(hào)輸出行、列開關(guān)控制，可隨機(jī)采樣CCD為逐個(gè)像元輸出，只能按規(guī)定的程序輸出

10ADC在同一芯片中可設(shè)置ADC只能在器件外部設(shè)置ADC11邏輯電路芯片內(nèi)可設(shè)置若干邏輯電路只能在器件外設(shè)置12接口電路芯片內(nèi)可以設(shè)有接口電路只能在器件外設(shè)置13驅(qū)動(dòng)電路同一芯片內(nèi)設(shè)有驅(qū)動(dòng)電路只能在器件外設(shè)置，很復(fù)雜表6-2

CMOS與CCD的性能比較6.4典型CMOS6.4.1IBIS4SXGAIBIS4SXGA其原理結(jié)構(gòu)如圖6-36所示。1、原理結(jié)構(gòu)SXGA的像元總數(shù)是1286×1030個(gè)，其中在每行和每列的起始端及末尾端各有3個(gè)像元為虛設(shè)單元。成像區(qū)的結(jié)構(gòu)如圖6-37所示。圖6-37

SXGA型傳感器的成像區(qū)結(jié)構(gòu)圖SXGA的光譜響應(yīng)特性曲線如圖6-38所示。圖6-38

SXGA的光譜響應(yīng)特性曲線SXGA的輸出特性如圖6-39所示。圖6-39

SXGA的輸出特性曲線曲線的線性段動(dòng)態(tài)范圍僅為66dB。若采用對(duì)數(shù)放大器，動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)到100dB。2、輸出放大器圖6-40所示為SXGA的輸出放大器電路原理框圖，它主要由增益可調(diào)的放大器、鉗位器和偏壓調(diào)節(jié)電路三部分組成。如圖6-41所示為按指數(shù)規(guī)律控制放大器增益的調(diào)整。圖6-41

增益調(diào)節(jié)規(guī)律按4位編碼控制增益，即可有8種增益，在5.33~17.53之間可調(diào)。改變?cè)鲆鎸?duì)放大器帶寬影響如圖6-42所示，低增益段頻帶寬度要大些。圖6-42增益對(duì)帶寬的影響偏壓調(diào)節(jié)分為快速或慢速調(diào)節(jié)模式，快速模式的調(diào)節(jié)過程如圖6-43所示。這種快速調(diào)節(jié)模式適用于快速讀出圖像信號(hào)過程，每幀即可調(diào)節(jié)一次。當(dāng)需要慢速讀出圖像信號(hào)時(shí)，需要采用慢速調(diào)節(jié)偏壓的方法。為防止偏壓漂移，每行都要進(jìn)行偏壓調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)過程如圖6-44所示，它與圖6-43的主要區(qū)別在于調(diào)節(jié)過程的時(shí)間較長。圖6-43快速模式的調(diào)整過程圖6-44慢速模式的調(diào)整過程輸出放大器的輸出/輸入特性曲線如圖6-45所示。圖6-45

輸出/輸入特性曲線3、A/D轉(zhuǎn)換器A/D轉(zhuǎn)換器的輸出/輸入的關(guān)系曲線如圖6-46所示。圖6-46數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸出特性6.4.2FUGA1000FUGA1000具有隨機(jī)采樣和對(duì)數(shù)響應(yīng)的能力。它的光譜響應(yīng)特性如圖6-47所示。圖6-47Fuga1000傳感器的光譜響應(yīng)表6-3列出幾種典型FillFactorg公司生產(chǎn)的CMOS成像器各項(xiàng)特性參數(shù)。

IBIS4SXGAFUGA1000LUPA1300像元數(shù)1286×10301024×10241280×1024像元尺寸（μm）7×78×814×14填充因子（%）607050光譜范圍（nm）400~1000（彩色或黑白）400~1000（彩色或黑白）

量子效率（%）60>3015（700nm）光譜響應(yīng)度（V/W）0.165（700nm）

速率（MHz）103040（幀頻450幀/秒）噪聲等效光流1e，4lx6.3e，75W/m2<10-4w/m2

靈敏度V/lx·sVm2/W·s71260

MTF（Nyguist頻率）(0.4-0.5)(450nm)（0.25-0.35）(650nm)

表6-3

CMOS的特性參數(shù)

IBIS4SXGAFUGA1000LUPA1300光學(xué)竄音（至第一鄰元）

（至第二鄰元）10%2%

15%電荷轉(zhuǎn)換效率（μV/e）18

16滿勢阱電荷數(shù)（個(gè)）70000

60000暗噪聲（電子數(shù)μVRMS）20500

45動(dòng)態(tài)范圍60dB2000:1120dB（對(duì)數(shù)響應(yīng)）62db,1330：1暗電流（mv/s）19

暗電流非均勻性（%）15

10固定圖形噪聲（mV）響應(yīng)非均勻性（%）9.610

輸出信號(hào)電壓（V）1.2

1數(shù)字輸出（bit）1010

抗光暈（Smear）>105

電子快門無有有γ校正數(shù)字方式

輸出端數(shù)1116表6-3

CMOS的特性參數(shù)（續(xù)上表）當(dāng)用做彩色圖像傳感器時(shí)，需要在成像面上覆蓋R，G，B三色濾光片，濾光片的光譜響應(yīng)特性如圖6-48所示。圖6-49所示為FUGA1000的對(duì)數(shù)輸出特性。圖6-48彩色濾光片的光譜透過率圖6-49對(duì)數(shù)輸出特性FUGA1000通過隨機(jī)尋址讀取像元信號(hào)。圖6-50所示為隨機(jī)尋址電路的主要部分。有兩個(gè)隨機(jī)尋址電路可以分別對(duì)行（X）和列（Y）進(jìn)行尋址。圖6-50隨機(jī)尋址電路表6-4給出了輸出地址的控制邏輯關(guān)系，表中的0代表低電平，1代表高電平，1-0-1代表信號(hào)的高低電平的變化過程。表6-4地址控制邏輯表序號(hào)SYNCINCRLOAD-SLOAD-IINPUTOUTPUT說明11-0-1111地址地址典型隨機(jī)選址2111-0-11地址地址不變將起始地址饋送給寄存器31111-0-1增量地址地址不變將增量地址饋送給寄存器411-0-111

前一地址加增量地址增加輸出地址6.4.3LUPA1300LUPA1300的結(jié)構(gòu)如圖6-51所示。1、LUPA1300的結(jié)構(gòu)它除像元陣列、Y和X移位寄存器，以及列放大器外，還有16路并行輸出的放大器、Y和X的起始點(diǎn)定位器、像元信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路和邏輯電路等。LUPA1300的像元結(jié)構(gòu)如圖6-52所示，它為主動(dòng)式像元結(jié)構(gòu)。圖6-52

像元結(jié)構(gòu)2、像元信號(hào)輸出方式像元輸出信號(hào)要經(jīng)過列放大器放大，列放大器同時(shí)還起著像元與輸出放大器之間的接口作用。從列放大器輸出的信號(hào)還要經(jīng)過輸出放大器放大，才能向外讀出。圖6-53所示是該放大電路的原理框圖。圖6-53

放大電路原理圖輸出放大器的輸出特性如圖6-54所示，其中暗信號(hào)對(duì)應(yīng)于高電平，而飽和信號(hào)則對(duì)應(yīng)于0電平。這一特性曲線基本上是線性的。圖6-54放大器輸出特性圖6-55所示為像元陣列的工作時(shí)序，它確定了積分時(shí)間、像元信號(hào)采樣、預(yù)充電和復(fù)位的時(shí)序。3、信號(hào)輸出程序圖6-55像元工作順序行選擇過程的時(shí)序脈沖波形如圖6-56所示，它是由同步脈沖SYNC-Y和時(shí)鐘脈沖CLCK-Y共同控制完成的。圖6-56行選擇過程的時(shí)序圖當(dāng)行選出后，便需要對(duì)該行的像元信號(hào)進(jìn)行讀出。首先還應(yīng)讓該信號(hào)穩(wěn)定下來，所需時(shí)間為消隱時(shí)間，如圖6-57所示，剩下的時(shí)間才是真正的行讀出時(shí)間。圖6-57行讀出時(shí)序圖6.5CMOS攝像機(jī)6.5.1IM26-SA表6-5列舉了三種CMOS攝像機(jī)的基本特性參數(shù)。參數(shù)IM28—SAIM75—SAMC1300像元數(shù)1024×10241024×10241280×1024像元尺寸（μm）10.6×10.610.6×10.612×12填充率（%）353540光譜響應(yīng)范圍（nm）380～1100380～1100400～1000量子效率（%）2525

響應(yīng)度(Vm2/W)0.7～11.2

1000(Lsb/lx·s)數(shù)據(jù)率（MHz）內(nèi)同步26.4；外同步20-26.4內(nèi)同步40；外同步10—20

數(shù)據(jù)位數(shù)（bit）8和101016幀頻(f/s)277547動(dòng)態(tài)范圍（dB）線性48非線性128

59噪聲（RMS）<1LSB<1LSB

取景幅度>2行×128列

電源電壓（V）55內(nèi)部電源8～35表6-5CMOS攝像機(jī)的性能參數(shù)IM26-SA型CMOS攝像機(jī)的光譜特性如圖6-58所示。圖6-58IM26-SA的光譜響應(yīng)曲線圖IM26-SA型CMOS攝像機(jī)的輸出特性曲線如圖6-59所示。圖6-59IM26-SA的光電特性曲線IM26-SA攝像機(jī)中的圖像信號(hào)放大器的增益可有兩種選擇方式：非略讀增益方式和略讀增益方式。圖6-60所示為兩種增益的輸出特性曲線。圖6-60IM26-SA不同增益下的輸出特性曲線攝像機(jī)的運(yùn)行模式和功能的設(shè)置都要事先存儲(chǔ)在E2PROM中，運(yùn)行時(shí)再將其通過軟件調(diào)出存于移位寄存器。這種移位寄存器總共有32個(gè)，它們的功能如表6-6所示。表6-61M26-SA移位寄存器的功能移位寄存器序號(hào)功能說明0～3與EEPOM進(jìn)行通訊4，5包含成像器件的控制信息6，7包含攝像機(jī)的基本功能信息8，9用于存取DAC數(shù)據(jù)和調(diào)整攝像機(jī)的數(shù)據(jù)10，11未用12~14包含擴(kuò)展攝像機(jī)調(diào)整功能的信息15~17用于曝光控制18~20用于控制成像器件的輸出模式21~23用于設(shè)置幀時(shí)間24~31用于取景控制32用于存儲(chǔ)行的暫停數(shù)據(jù)要求攝像機(jī)全部像元同時(shí)曝光的時(shí)序如圖6-61所示。圖6-61像元同步曝光時(shí)序攝像機(jī)的運(yùn)行方式分為自由運(yùn)行與觸發(fā)運(yùn)行兩種運(yùn)行模式。自由運(yùn)行模式的時(shí)序如圖6-62所示。圖6-62自由運(yùn)行模式時(shí)序圖6-63所示為觸發(fā)運(yùn)行模式的時(shí)序圖。圖6-63觸發(fā)運(yùn)行模式時(shí)序6.5.2MC1300MC1300攝像機(jī)是德國MIKROTRON公司的產(chǎn)品。它的數(shù)據(jù)率高達(dá)130MB/s，適用于攝取運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的圖像。這種攝像機(jī)的硬件采用高性能CMOS成像器件、數(shù)據(jù)存