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卷帘式快门方式下成像质量分析
当前读出行为第X行 读出指针 积分窗口 0 1 2
当前读出行为第Y行 0 1 2
扫描方向
复位窗口
复位窗口
读出指针
n-1 n
(1) 黑条的移动方向
n (2)
n-1
积分窗口 黑条的移动方向
运动物体在卷帘式快门方式下成像原理示意图
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填充率
• 提高填充率的方法
– 采用微透镜 – 采用特殊像元结构
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微透镜
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微透镜和特殊像元结构
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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。
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CMOS图像传感系统结构
256K×16 （EDO/SDRAM）
8/10 bits Data
Addr. R/W 8/10
CMOS数字 摄像器件 UART （HDCS）
摄像接口
DRAM接口
压缩引擎 CE
Compression Engine 8
48MHZ
晶振
系统 控制器
8
USB 接口
• 高端CCD的噪声水平
– 暗电流：<20pA/cm2 – 读出噪声：1～10个电子
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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
2 3 4
填充率（%）
暗电流（PA/cm2） 噪声电子数 FPN(%)
10~50
100~2000 30~100 <0.5%（均方根值RMS）
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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/cm2～2000pA/cm2 – 固定模式噪声一般<0.5%（均方根值，RMS） – 读出噪声：30～100个电子
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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复位操作和积分操作
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电荷收集过程
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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）
• 典型线阵CCD介绍
– TCD1209 – TCD1251
• 典型面阵CCD（IA－D4）介绍
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TCD1209波形图
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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
G B G B
R G R G
:
G B G B
R G R G
....
G B G B
R G R G
:
G B G B
R G R G
Bayer 滤色图案
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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）
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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
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预分频器＝1
40行
预分频器＝3
78行
预分频器＝2
预分频器＝4 32行
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蔽光区 存储控制 曝光 控制 V1 UDD V2 V3
复位 V4
行选通 光敏二极管 V5
五管像敏单元结构
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CMOS图像传感器的一般结构
数字视频输出
行 光敏单元阵列 选 择 列选及放大
模拟数字转换电路
模拟信号处理电路
视频时序产生电路
曝光、白平衡等控制
逐个像元输出
只能在器件外设置 只能在器件外设置 只能在器件外设置 只能在器件外设置 Si，400~1000nm
CMOS图像传感器的特殊之处
填充率（Low Fill Factor） 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 Electronic Shutter ） • 颜色滤波阵列（RGB color filter） • • • • •
有源像敏单元结构
蔽光区
UDD 光敏二极管 存储开关管 行选通
四管像敏单元结构
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CMOS像元结构示意图
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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 抑制来自像元浮置节点的复位噪 声。
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防止溢出
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大动态范围
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CMOS技术则无开花、无拖尾
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未用“双斜坡”技术的图像
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未用“双斜坡”技术的图像
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采用“双斜坡”技术的图像
2015年4月28日
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
2008年11月28日
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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
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上一讲习题解答
• 立体角Ω，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。 • （Ω =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：
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• Bayer 滤色片结构：图像传感器结构是每行同时输出 2列上的像素：一行按G,R;---G,R。下一行按B,G;--B,G。因此，图像尺寸基本以2×2的倍数扩大或缩小。
0 0 1 2 3 : 476 477 478 479 1 2 3 ... 636 637 638 639
– OV7620 – IBIS5－1300－M
2015年4月28日
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CMOS图像传感器原理
• CMOS图像传感器概念
– Complementary Metal-Oxide-Semiconductor Image Sensor。
• 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。
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I2C总线接口
组成原理框图
2015年4月28日
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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 50×50的单片光敏晶体管成像阵列器件：MOS阵列集成 电路（MOSAICS，Mos Oxide Semiconductor Array Integrated 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。