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认识CMOS图像传感器

作者:互联网

一.CMOS Sensor发展历程:

      20 世纪 60 , 70 年代, CCD 图像传感器和 CMOS 图像 传感器 几乎 同时 起步 。 但是,直到 90 年代初技术才逐步成熟,走进消费领域。      CCD 图像传感器由于灵敏度高、噪声低,逐步成为图像传感器的主流。但由于工艺上的原因,光敏感元件和信号处理电路不能集成在同一芯片上,造成由 CCD 图像传感器组装的摄像机体积大、功耗大 。      CMOS 图像传感器以其体积小、功耗低在图像传感器市场上独树一帜。但最初市场上的 CMOS 图像传感器,一直没有摆脱光照灵敏度低和图像分辨率低的缺点,图像质量还无法与 CCD 图像传感器相比。 世界上第一台数码相机       1975 年,柯达的 工程师 史蒂芬 · 沙森 发明 世界上第一台数码相机。这台数码相机使用磁带作为存储介质,拥有最高 1 万像 素( 100x100 )的 CCD 黑白感光元件,拍完一张照片,写入数据的时间就要长达 23 秒。拍好以后需要把磁带拿下来,拿到播放设备上才能够现实 照片。( PS: 彩色胶片是 1935 由柯达发明,五,六十年代才进入中国)

 数码相机走进普通消费者:

二 CMOS 和 CCD对比优劣势:

 三.CMOS 图像传感器的工作原理

     CMOS图像传感器能将光电检测器、电荷/电压转换单元、复位和选择晶体管、电压放大器,以及数/模(ADC)转换电路集成在一块芯片里。整个阵列使用简单的X-Y排位技术,输出信号由列和行读取电路构成,这些外围电路也可以集成在芯片内,因此CMOS图像传感器输出的数字信号可以直接进行处理。

     由于CMOS传感器的每个像素由四个晶体管与一个感光二极管构成(含放大器与A/D转换电路),使得每个像素的感光区域远小于像素本身的表面积。换句话说,集成在表面的各种晶体管减少了像素元件的有效表面积,降低了“封装密度”,使得40%~50%的入射光被反射。

    CMOS图像传感器由光电二极管、复位管、源极跟随器、有源放大管和行选读出晶体管。 工作原理图:光照射到光电二极管,产生电荷。这些电荷通过源极跟随器V2缓冲输出;当读出管V3选通时,电荷通过列总线输出。读出管V3关闭,复位管V1打开对光电二极管复位。 

    基本电路如图1所示。从下图可以看出,场效应管V1构成光电二极管的负载,它的栅极接在复位信号上,当复位脉冲出现时,V1导通,光电二极管被瞬间复位;而当复位脉冲消失后,V1截止,光敏二极管开始积分光信号。其中,复位脉冲首先来到,V1导通,光电二极管复位;复位脉冲消失后,光电二极管进行积分;积分结束后,V3管导通,信号输出。该信号还是电荷信号,需要通过A/D,转换成数字信号。再传给DSP处理器。

四.卷帘式CMOS 图像传感器阵列框图:

 

 

五.全局曝光CMOS 图像传感器的功能框图:

 六 卷帘式曝光和全局曝光的区别:

1)卷帘式曝光 (electronic rolling shutter):

      卷帘式传感器在曝光时并不是所有的像素同时感光的,而是每行像素按照顺序依次感光。对任一像素,在曝光开始时现将其清零,然后等待曝光时间过后,将信号值读出。因为数据的读出是串行的,所以清零/曝光/读出也只能逐行顺序进行,通常是从上至下,对高速运动的物体会产生明显的变形。例如,如果数据的读出速度是每秒20帧,那么图像顶部和底部的曝光先后差异将最多可能达50毫秒。目前大多数CMOS传感器采用这种曝光方式。

2)全局曝光(global shutter/snapshot shutter):

      全局快门的工作方式就想我们通常想象的那样,所有的像素同时感光,在任意一个时间点,所有的像素都接受相同的光量。全局曝光传感器最主要的区别是在每个像素处增加了采样保持单元。在曝光前整个图像重置;像素可以在曝光时间积累电荷;曝光结束后,每个像素积累的电荷同时传送到屏蔽光(对光不敏感)的存储区域;然后信号从此区域读出。因所有像素同时重置,曝光积分同样的间隔,并同时传输到光屏蔽存储区域,故移动物体来说没有变形。在指定时间达到后对数据进行采样然后顺序读出,这样虽然后读出的像素仍然在进行曝光,但存储在采样保持单元中的数据却并未改变。 这种机构的主要缺点在于增加了每个像素的元件数目,使得填充系数降低,所以很难设计出高像素数的传感器,另外采样保持单元还引入了新的噪音源。目前,具有全局快门的CMOS传感器,主要用于工业相机、机器视觉和高速摄影等领域。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

标签:复位,像素,传感器,图像,曝光,CMOS
来源: https://blog.csdn.net/weixin_40787463/article/details/118723257