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CMOS成像传感器的工作原理

发布时间:2020-11-27 10:12:38 浏览量:135 作者:Leo

摘要

CCD(Charge-Coupled Device,电荷耦合器件)与CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor,互补金属氧化物场效应

管)是两种主要的成像传感器。其中CMOS技术成熟较CCD更晚,早期应用效果不如CCD。随着半导体技术的发展,CMOS的成像效果

有了很大的提高逐步赶上CCD。此外在集成度,成本以及读取速度等方面,CMOS更具优势。CMOS被很多人认为比CCD更有前景。


cmos图像传感器是一种典型的固体成像传感器,通常由像敏单元阵列、行驱动器、列驱动器、时序控制逻辑、AD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。其工作过程一般可分为复位、光电转换、积分、读出几部

分。


在CMOS图像传感器芯片上还可以集成其他数字信号处理电路,如AD转换器、自动曝光量控制、白平衡处理等。为了进行快速计算甚

至可以将具有可编程功能的DSP器件与CMOS器件集成在一起。在这个意义上,CMOS已经不仅仅是一个图像传感器,更可以被认为

是一个图像处理系统。

 

随着CMOS图像传感器的发展,出现很多细分种类。主要有三大类CMOS图像传感器,即CMOS无源像素传感器(CMOS Passive Pixel 

Sensor简称CMOS-PPS)、CMOS有源像素传感器(CMOS Active Pixel Sensor简称CMOS-APS)和CMOS数字像素传感器(CMOS 

Digital Pixel Sensor简称CMOS-DPS)。


今天标准的CMOS APS像素由一个光电二极管以及转移门管、复位门管、选通门管和源跟随器读出管等4个晶体管组成,因此被称为

4T(4晶体管)单元。此外5T、6T单元像素也存在。


最基本的CMOS有源像素单元为3T单元。

如上图,由一个光电二极管,三个晶体管组成一个像素单元。Mrst是复位门管,通过RST引进控制通断,导通时光电二极管连接到

VRST清除内部电荷。Msf是源跟随器,放大器允许在不移出积累电荷的情况下测量像素的电压。Msel是行选择晶体管,是一个允许像

素阵列的行选通信号在读出像素电子时接通的开关。


下图给出的是一种CMOS像素的设计图。此像素的尺寸为10.8 X 10.8微米(D3的像素仅为8.46 X 8.46微米),CMOS填充系数为

81%。像素为5T(5个晶体管)电路。没有色彩滤镜和微透镜。


该设计特意注明没有色彩滤镜。也就是说,这种CMOS只能记录光的明暗,不能记录色彩。

彩色CMOS 的原理也很简单,直接在黑白图像传感器的基础上增加色彩滤波阵列(CFA),从而实现从黑白到彩色的成像。很著名的一种

设计就是Bayer CFA(拜耳色彩滤波阵列)。色彩滤波阵列是一种颜色滤波的综合体,它可以去除光谱中的一些成分,使每个像素只保

留一个颜色成分,用在数码相机ccd传感器之前。其中通过RGB三种颜色混合出真实色彩,其中G占1/2,R和B各占1/4,这是根据人

眼对于颜色的感知原理设计的。

  


这样一来,每个像素点只能包含RGB中的一个值,无法通过还原真实色彩。缺失的另外两个色彩需要通过插值法来补充。插值方法有

很多种,比如领域、线性、3*3等。


以线性插值补偿算法为例,进行插值算法的介绍。由于传感器的色彩滤镜的色彩顺序是确定的,在进行R、B插值时,考虑如下四种情

况:


  

R和B值取像素点周围两个或四个像素点的均值。

在对G进行插值时考虑如下情况:



 

由于人眼对G值更敏感,计算方法也有所不同:


 

为了加快计算速度,也可以采取如下算法:


 

第二种算法,比第一种性能差距很小,但速度快很多。


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