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固态成像器件原理与应用第六讲cmos图像传感器原理与性能 2018年10月16日第1页固态成像器件原理及应用第六讲CMOS图像传感器原理及参数长春理工大学刘智xx年11月28日2018年10月16日第2页主要内容上节课习题讲解 一、上一讲内容回顾 二、本讲主要内容 三、小结 四、作业2018年10月16日第3页上一讲习题解答?立体角，是一个物体对特定点的三维空间的角度。 它是站在那一点的观察者测量物体大小的尺度。 例如，一个附近的小物体可以与一个远处的大物体对于一个点有相同的立体角。 立体角是物体在一个以观测点为圆心的球的投影面积与球半径的比。 ?（=S/r）这正像平面角是圆的弧长与半径的比。 ?立体角的国际制单位是steradian(球面度)。 更严密的，立体角是面S对点P的面积分2018年10月16日第4页阿基米德在2200年前不用微积分证明了球冠的表面积与半径为球冠边沿到球冠最低点的距离的圆的面积相等。 球冠边沿到球冠最低点的距离为因此，对应的立体角为:2018年10月16日第5页 一、上一讲内容回顾?CCD的主要性能指标量子效率（响应度），饱和曝光量，噪声，信噪比，像元尺寸，电荷转移效率等?典型线阵CCD介绍TCD1209TCD1251?典型面阵CCD（IAD4）介绍2018年10月16日第6页2018年10月16日第7页TCD1209波形图2018年10月16日第8页 二、本讲主要内容?MOS与CMOS场效应晶体管?CMOS图像传感器的原理与结构?典型的CMOS图像传感器OV7620IBIS51300M2018年10月16日第9页CMOS图像传感器原理?CMOS图像传感器概念Complementary Metal-Oxide-Semiconductor ImageSensor。 ?是一种用传统的集成电路工艺方法将光敏元件、放大器、A/D转换器、存储器、数字信号处理器和计算机接口电路集成在一块硅片上的图像传感器件。 2018年10月16日第10页2018年10月16日第11页2018年10月16日第12页2018年10月16日第13页2018年10月16日第14页复位操作和积分操作2018年10月16日第15页电荷收集过程2018年10月16日第16页CMOS图像传感器像元结构?无源像元(Passive Pixel)?有源像元（Active Pixel）?光电栅型像元（Photogate Pixel）2018年10月16日第17页无源像元(Passive Pixel)输出行选择线列选择线场效应晶体管开关CMOS像敏单元复位脉冲采样信号采电信号积分ttt图像信号读出时序脉冲2018年10月16日第18页有源像元（Active Pixel）光敏二极管V1V2复位线行选通线列选通线V3有源像敏单元结构光敏二极管存储开关管蔽光区U DD行选通四管像敏单元结构2018年10月16日第19页CMOS像元结构示意图2018年10月16日第20页2018年10月16日第21页光电栅型像元（Photogate Pixel）?光电栅型APS CMOS像素单元框图如右图所示。 像素单元包括光电栅PG（Photogate）、浮置扩输出FD(Flcating Diffusion)、传输电栅TX(Transfer Gate)、复位晶体管MR(Reset Transistor)、作为源极跟随器的输入晶体管MIN、以及行晶体管MX，实际上，每个像元内部就是一个小小的表面沟道CCD。 ?每列单元共用一个读出电路，它包括第一源极跟随器的负载晶体管MLN以及两个用于存储信号电平和复位电平的双采样和保持电路。 这种对复位和信号电平同时采样的相关双采样电路CDS能抑制像元浮置节点的复位噪声。 2018年10月16日第22页光敏二极管蔽光区U DD行选通五管像敏单元结构V1V2存储控制V3复位V4V5曝光控制2018年10月16日第23页光敏单元阵列行选择列选及放大视频时序产生电路曝光、白平衡等控制模拟信号处理电路模拟数字转换电路I2C总线接口数字视频输出CMOS图像传感器的一般结构2018年10月16日第24页组成原理框图2018年10月16日第25页CMOS图像传感器发展过程?1963年Morrison发表了可计算传感器，这是一种可以利用光导效应测定光斑位置的结构，成为CMOS图像传感器发展的开端。 ?1964年IBM的Horton et.al发表了scanistor，这是一种通过电阻网络寻址的一维光电二极管阵列扫描器，这种扫描器产生与入射光能量成线性比例关系的输出脉冲电压。 ?1966年西屋公司的Schuster和Strull报道了像元分辨率为5050的单片光敏晶体管成像阵列器件MOS阵列集成电路（MOSAICS，Mos OxideSemiconductor ArrayIntegrated Circuits）。 这种光电晶体管都能产生与入射光强成比例的信号，其输出与瞬时入射光能量成正比关系，不进行任何积分操作，因此其灵敏度相对较低。 由于技术水平的限制，这种结构需要外部电路才能实现扫描读出操作。 2018年10月16日第26页CMOS图像传感器发展过程?1967年仙童公司的RUDOLPH H.DYCK和GENE P.WECKLER提出了一种新的固态光电传感器工作模式基于光电二极管的光子通量积分工作模式。 光电二极管首先被反向偏置，然后转为开路状态，入射光子产生的光电流将使PN结电容上进行积分；积分结束时，对积分电容上的电压进行采样，该采样值与复位状态下的采样值之差即与入射光强度成正比。 ?1968年英国的PETER J.W.NOBLE提出了“自扫描硅图像探测器阵列结构”的概念，描述了表面光敏二极管和埋沟道光敏二极管的结构，讨论了用于读出信号的电荷积分放大器。 对基本的金属氧化物半导体阵列集成电路技术进行了改进，使之工作在积分模式下，这是第一个有源像素设计方案，使用了MOS源级跟随器作为像元信号读出缓冲器。 根据此技术制作的1010自扫描阵列最大帧频为500帧/秒，像元大小为100m100m。 ?1970年世界上第一块CCD图像传感器在贝尔实验室诞生。 2018年10月16日第27页CMOS图像传感系统结构UART8/10bits摄像接口256K16（EDO/SDRAM）DRAM接口Addr.R/W Data压缩引擎CE CompressionEngine先进先出缓存（FIFO）8/108USB接口8系统控制器CMOS数字摄像器件（HDCS）48MH Z晶振USB控制器USB总线USB驱动器数字相机芯片2018年10月16日第28页标准CMOS工艺，使低成本和在片内集成更多的功能成为可能单电源电压、低功耗，提高电源使用效率可对感兴趣的区域像素进行随机读取，实现开窗口操作，增加了工作灵活性没有CCD常见的模糊、光晕等现象，保证高质量图像优化的曝光控制能力能实现较高的帧频抗辐射能力强CMOS图像传感器相对于CCD的优点2018年10月16日第29页CMOS图像传感器的缺点?噪声特性差由于CMOS图像传感器在像元中引入复位、行选通、放大器晶体管，其噪声特性比CCD要差。 主要表现在暗电流、固定模式噪声和读出噪声等几方面。 ?现有的CMOS图像传感器噪声水平暗电流100pA/cm22000pA/cm2固定模式噪声一般0.5%（均方根值，RMS）读出噪声30100个电子?高端CCD的噪声水平暗电流20pA/cm2读出噪声110个电子2018年10月16日第30页CMOS与CCD器件性能对比序号性能CMOS图像传感器CCD图像传感器1填充率（%）1050接近100%2暗电流（PA/cm2）1002000203噪声电子数30100104FPN(%)0.5%（均方根值RMS）1%5DRNU(%)10%1%10%6工艺难度小大7光探测技术可优化8像元放大器有无9信号输出行列开关控制，可随机采样逐个像元输出10ADC同一芯片中可设置只能在器件外设置11逻辑电路同一芯片中可设置只能在器件外设置12接口电路同一芯片中可设置只能在器件外设置13驱动电路同一芯片中可设置只能在器件外设置14材料和光谱特性Si，4001000nm Si，4001000nm2018年10月16日第31页CMOS图像传感器的特殊之处?填充率（Low FillFactor）?卷帘式快门（Rolling Shutter）?无开花现象（Anti-Blooming）?开窗口能力（Windowing Size）?局部可控电子快门（Regional ElectronicShutter）?颜色滤波阵列（RGB colorfilter）2018年10月16日第32页填充率?提高填充率的方法采用微透镜采用特殊像元结构2018年10月16日第33页微透镜2018年10月16日第34页微透镜和特殊像元结构2018年10月16日第35页卷帘式快门?具有卷帘式快门的图像传感器中不同行上的像素按照一定的顺序进行复位，通常从图像传感器的顶端开始向下，逐行进行复位，直到底部。 当复位过程进行若干行之后，读出过程开始，通过改变处于积分状态的像素行的数目就可以改变积分光时间。 ?因此，一行结束复位就像帘布快门释放第一块帘布，而读出就像帘布快门释放第二快帘布。 2018年10月16日第36页畸变的例子（一）卷帘快门照相机拍摄的风扇失真的事例图静态物体（右图）和动态物体（左图）2018年10月16日第37页畸变的例子（二）全局式快门得到的图像卷帘式快门得到的图像2018年10月16日第38页7788行预分频器115522行预分频器224400行预分频器333322行预分频器442018年10月16日第39页卷帘式快门方式下成像质量分析 (1) (2)运动物体在卷帘式快门方式下成像原理示意图读出指针积分窗口黑条的移动方向扫描方向当前读出行为第X行复位窗口0n12n-1读出指针积分窗口黑条的移动方向扫描方向当前读出行为第Y行复位窗口n102n-12018年10月16日第40页畸变的例子（三）2018年10月16日第41页2018年10月16日第42页防止溢出和拖尾?CCD进入了饱和区后，如果光强进一步增大，电荷存储势阱将填满电子，而过剩的电子会向外溢出。 ?如果没有特殊措施，溢出的电子将进入相邻像素，致使本来工作在线性区域的相邻像素在收集到溢出电子后进入饱和区或也向外溢出电子，使图像出现光晕现象，图像清晰度也就明显下降了。 2018年10月16日第43页防止溢出2018年10月16日第44页大动态范围2018年10月16日第45页CMOS技术则无开花、无拖尾2018年10月16日第46页未用“双斜坡”技术的图像2018年10月16日第47页未用“双斜坡”技术的图像2018年10月16日第48页采用“双斜坡”技术的图像2018