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CMOS工作原理及应用ppt课件

1.发生光电效应。 2.行选择逻辑单元选通相应的行 像素单元。 3.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。
CMOS图像传感器的关键 参数
衡量CMOS图像传感器性能的参数有很多,下面 对这些参数做简单的介绍: 感光度 分辨率 暗电流 噪声特性 动态范围 快门方式
差异总结及前景展望:
由于构造上的基本差异,我们可以表列出两者在性能上的表现之不同。
CCD图像传感器的特色在于充分保持信号在传输时不失真(专属通道 设计),透过每一个像素集合至单一放大器上再做统一处理,可以保 持数据的完整性;CMOS图像传感器的制程比较简单,没有专属通道 的设计,因此必须先行放大再整合各个画素的数据。新一代的CCD朝 向耗电量减少作为改进目标,以期进入手机摄像头的移动通讯市场; CMOS系列,则开始朝向大尺寸面积与高速图像处理芯片整合,借由 后续的图像处理修正噪声以及画质表现,CMOS未来跨足高阶的影像 市场产品,前景可期。
ISO感光度
ISO值是用来表示传统相机所 使用底片的感光度。当ISO数值 愈大时,感光度就愈大。
先来说一下像素: 像素,即是影像最基本的单位。也就是说将 影像放大到不能再将它分割的影像单位。 而分辨率,是在一个 特定的区域内共有多少个像素单位,该词最早是用来说明工程 中单位长度所撷取到『点』的数目,对应在单位上就成了dpi (dot per inch)。常见单位有:
EPI:每一平方英寸共有多少单位数(element per inch)。 DPI:每一平方英寸共有多少点数(dot per inch)。 PPI:每一平方英寸共有多少像素数(pixel per inch)。 LPI:每一平方英寸共有多少条线(line per inch)。
胶片式照相机一般使用35毫米的胶卷。解像度在数百万到一千 万点。但是,胶片经镜头所拍下的成像。有时还比不上100万像 素档次的数码相机。100万像素档次的数码相机,拍摄1024x768 点阵的画像,经高解像度的打印机打印,解像度为每毫米3到4 点(解像度可用点数来表示)。另一方面,胶片经镜头所拍下 的成像每毫米3-14点。受我们用肉眼所能鉴别的限制,这种程 度的解像度没有太大的区别。
Surrey大学的SNAP-1 纳型卫星 与“清华 1号”微小卫星同时发 射。SNAP-1纳型卫星上装有 3 个广角( 90度视角)的相机,
以及一个小视角相机。图是这些
相机在星箭分离时拍摄的照片。
太阳敏感器:
卫星的微小化要求其组成模块的 微型化,要求对现有卫星组成模 块进行重新设计,大幅度减小其 重量、体积和功耗,使其满足新 的要求。
它由光敏二极管、M1复位管、源跟随器M2和 行选通管M3组成。
首先进入“复位状态”,M1打开,对
光敏二极管复位然后进入“取样状
态”,M1关闭,光照射到光敏二极管 M2上产生光生载流子,并通过源踉 随器放大输出,纂启进入。读击状 态”,这时行选通管M3打开,信号通 过列总线输出。
CMOS图像传感器的基本 工作流程
CMOS图像传感器的组成
组成:
CMOS图像传感器的原理 如图所示,通常由像敏单 元阵列、行驱动器、列时 序控制逻辑、A/D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。
CMOS图像传感器的像素阵列
CMOS图像传感器的像素阵 列由大量相同的像素单元组 成,这些相同的像素单元是 传感器的关键部分。
暗电流
所谓暗电流,就是在没有入射光时光电二极管所释放的电流量, 一个被隔离的反向偏置的光电二极管即使在没有任何光照的条件 下,也会产生放电现象。
快门模式
快门对于CMOS图像传感器而言
是很重要的,通过电子快门的方
式可以控制CMOS图像传感器的 积分时间。对于CMOS图像传感
器而言,通常有两种快门的机制:
扫描读取
随机读取
动态范围
图像传感器的动态范围通常可定 义为:传感器最大的非饱和信号 与暗条件下噪声均方差之比。
一般来说,具有较宽动态范围的 传感器可以探测更宽的场景照度 范围,从而可以得到具有更多细 节的图像。
CMOS图像传感器与CCD图 像传感器的比较
感光组件的区别: 放大器位置和数量:比较CCD图
随着CMOS图像传感器的发 展,可以细分为很多类,这 里我们依照像素不同类型来 分,就可分为两大类:一类 是无源像素传感器 (CMOS-PPS),另一类是 有源像素传感器(CMOSAPS)。
无源率高,
在无源像素传感器的像素单元中包括一个光二 极管(PhotoDiode)和一个MOS管,MOS管作为 行选(RowSeleet)开关。 当选通时,光敏二极管中由于光照产生的相应电
由于数字编码式太阳敏感器的几 何分辨率主要由传感器像素尺寸 决定,而CMOS的像素尺寸可以 做到远小于 CCD,使得基于的 太阳敏感器分辨率能得到提高。
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对地观察卫星的主要遥感成像技术:
在目前,对于重量小于10kg的纳型卫星来说,光 成像技术(以可见光为主)将是纳型卫星完成对 地观察任务的主要手段。而在可见光统中,其电 子光学系统中广泛使用固体成像器件(如CCD )进行遥感成像。CMOS成像器件由于其本身优 点,在微纳卫星上具有广泛应用前景。 一种典型的模块化遥感微纳卫星如图,其中采 用了大量新技术,如CMOS相机、星传感器,基 于MEMS的微型陀螺、微加速度计,使用了 250MIPS的微处理器与8GB的动态存储器等。
CMOS图像传感器的原理与 应用
CMOS的发展历史
主要内容: CMOS图像传感器的组成
CMOS图像传感器的像素阵列 CMOS图像传感器的基本工作流程 CMOS图像传感器的关键参数 CMOS图像传感器与CCD图像传感器的比较 CMOS图像传感器件的应用
CMOS图像传感器的发展史
固体图像传感器主要分为电荷祸合器件(CCD,Charge Coupled Device型和COMS (Complementary Metal Oxide Semiconductor)型两大类。早期由于受集成电路设计和工艺 水平的限制,型摄像器件无法克服其灵敏度低和抗干扰能力差 的缺点。到了八十年代末,英国爱丁堡大学成功地试制出世界 上第一块单片图像传感芯片,从而为型图像传感器实用化开通 了道路。图像传感器由于具有高集成、低功耗、低成本等许多 优点,得到了人们越来越多的童视,并逐步成为研究和开发的热 点。
荷就传送到了列线。下端的积分放大器将该信 号转化为电压输出。为减少噪声,列总线下端的 放大器在不读信号时,保持列总线为一常数电平 。
量子效率高。但它
的读出噪声大,一般 为250rms,而商用 的CCD读出噪声可 低于20rms。不利 于向大型阵列发展,
不利于提高读出速
有源像素传感器
这种有源像素传感器的像素单元通常称为3T(3-Trnasistor)结构,在像素单元中,除一个 光二极管外,还包括一个重置(Reset)MOS管 、一个源极跟随器(Source Follower) MOS管和一个行选MOS管。
分辨率
噪声特性
由于数码相机本身采用大量的电 子器材,所拍摄的影像质量很容 易受到电子原件的电磁溢波干扰, CMOS图像传感器上残存的能量 以及运作环境温度升高(机体运 作时间过久)所产生的自然噪声。 这些噪声会被纪录在你所拍摄的 影像画面中,你可以透过单一色 调的拍摄(黑色)做为观察 Noise的指标。
CMOS图像传感器件的应用
数码相机:
CMOS在数码相机中的应用: 彩色 CMOS 摄像头在电子快门 的控制下 ,摄取一幅照片存在 DRAM 中 , 然后再转至快ROM 中存放起来。 CMOS 还可以完成其他许多功 能 , 如模数转换、负载信号处 理、处理白平衡及进行相机控 制等。目前几乎所有的初级数 码相机都是基于 CMOS 图 像传感器的。
CMOS图像传感器的制程比较简单,没有专属通道的设计,因此必须先行放大再整 合各个像素的数据。
整体来说,CCD图像传感器与CMOS图像传感器两种设计的应用,反应在成像效 果上,形成包括ISO感光度、制造成本、分辨率、噪声与耗电量等,不同类型的差 异:
1、ISO感光度差异: 2、成本差异 3、分辨率差异 4、噪声差异 5、耗电量差异 6、随机读取
卷帘式快门(Rolling Shutter) 和全局式快门(Global Shutter)。
卷帘式快门
全局式快门优点在于拍摄运 动物体不会失真。 卷帘式快门的优点在于没有 采样保持单元,结构简单噪 音低。
全局式快门
卷帘式快门
读取方式: 根据快门方式有所不同,CMOS图
像传感器的像素信号读取有两种方 式,即扫描读取方式和随机读取方 式,如图所示。
像传感器和CMOS图像传感器的 结构,放大器的位置和数量是最 大的不同之处 。
性能差异:
由于构造上的基本差异,我们可以表列出两者在性能上的表现的不同点。
CCD图像传感器的特色在于充分保持信号在传输时不失真(专属通道设计),透 过每一个像素集合至单一放大器上再做统一处理,可以保持数据的完整性。
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