內(nèi)容提要：【相機(jī)cmos】 熱度：12

一、相機(jī)的cmos

CMOS圖像傳感器是一種典型的固體成像傳感器，與CCD有著共同的歷史淵源。CMOS圖像傳感器通常由像敏單元陣列、行驅(qū)動(dòng)器、列驅(qū)動(dòng)器、時(shí)序控制邏輯、AD轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)總線輸出接口、控制接口等幾部分組成,這幾部分通常都被集成在同一塊硅片上。其工作過(guò)程一般可分為復(fù)位、光電轉(zhuǎn)換、積分、讀出幾部分。

（一）CMOS圖像傳感器基本工作原理：

首先，外界光照射像素陣列，發(fā)生光電效應(yīng)，在像素單元內(nèi)產(chǎn)生相應(yīng)的電荷。行選擇邏輯單元根據(jù)需要，選通相應(yīng)的行像素單元。行像素單元內(nèi)的圖像信號(hào)通過(guò)各自所在列的信號(hào)總線傳輸?shù)綄?duì)應(yīng)的模擬信號(hào)處理單元以及A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像信號(hào)輸出。其中的行選擇邏輯單元可以對(duì)像素陣列逐行掃描也可隔行掃描。行選擇邏輯單元與列選擇邏輯單元配合使用可以實(shí)現(xiàn)圖像的窗口提取功能。模擬信號(hào)處理單元的主要功能是對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大處理，并且提高信噪比。另外，為了獲得質(zhì)量合格的實(shí)用攝像頭，芯片中必須包含各種控制電路，如曝光時(shí)間控制、自動(dòng)增益控制等。為了使芯片中各部分電路按規(guī)定的節(jié)拍動(dòng)作，必須使用多個(gè)時(shí)序控制信號(hào)。為了便于攝像頭的應(yīng)用，還要求該芯片能輸出一些時(shí)序信號(hào)，如同步信號(hào)、行起始信號(hào)、場(chǎng)起始信號(hào)等。

（二）像素陣列工作原理：

圖像傳感器一個(gè)直觀的性能指標(biāo)就是對(duì)圖像的復(fù)現(xiàn)的能力。而像素陣列就是直接關(guān)系到這一指標(biāo)的關(guān)鍵的功能模塊。按照像素陣列單元結(jié)構(gòu)的不同，可以將像素單元分為無(wú)源像素單元PPS(passive pixel schematic)，有源像素單元APS(activepixel schematic)和對(duì)數(shù)式像素單元，有源像素單元APS又可分為光敏二極管型APS、光柵型APS.

以上各種像素陣列單元各有特點(diǎn)，但是他們有著基本相同的工作原理。以下先介紹它們基本的工作原理，再介紹各種像素單元的特點(diǎn)。

1、首先進(jìn)入“復(fù)位狀態(tài)”，此時(shí)打開門管M.電容被充電至V,二極管處于反向狀態(tài);

2、然后進(jìn)入“取樣狀態(tài)”，這時(shí)關(guān)閉門管M,在光照下二極管產(chǎn)生光電流，使電容上存貯的電荷放電，經(jīng)過(guò)一個(gè)固定時(shí)間間隔后，電容C上存留的電荷量就與光照成正比例，這時(shí)就將一幅圖像攝入到了敏感元件陣列之中了;

3、最后進(jìn)入“讀出狀態(tài)”.這時(shí)再打開門管M,逐個(gè)讀取各像素中電容C上存貯的電荷電壓。

無(wú)源像素單元PPS出現(xiàn)得最早，自出現(xiàn)以來(lái)結(jié)構(gòu)沒(méi)有多大變化。無(wú)源像素單元PPS結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，像素填充率高，量子效率比較高，但它有兩個(gè)顯著的缺點(diǎn)。一是，它的讀出噪聲比較大，其典型值為20個(gè)電子，而商業(yè)用的CCD級(jí)技術(shù)芯片其讀出噪聲典型值為20個(gè)電子。二，隨著像素個(gè)數(shù)的增加，讀出速率加快，于是讀出噪聲變大。

光敏二極管型APS量子效率比較高，由于采用了新的消噪技術(shù)，輸出圖形信號(hào)質(zhì)量比以前有許多提高，讀出噪聲一般為75~100個(gè)電子，此種結(jié)構(gòu)的C3&適合于中低檔的應(yīng)用場(chǎng)合。

在光柵型APS結(jié)構(gòu)中，固定圖形噪聲得到了抑制。其讀出噪聲為10~20個(gè)電子。但它的工藝比較復(fù)雜，嚴(yán)格說(shuō)并不能算完全的CMOS工藝。由于多晶硅覆蓋層的引入，使其量子效率比較低，尤其對(duì)藍(lán)光更是如此。就目前看來(lái)，其整體性能優(yōu)勢(shì)并不十分突出。

（三）影響性能因素：

3.1噪聲：

這是影響CMOS傳感器性能的首要問(wèn)題。這種噪聲包括固定圖形噪聲FPN(Fixed pattern noise)、暗電流噪聲、熱噪聲等。固定圖形噪聲產(chǎn)生的原因是一束同樣的光照射到兩個(gè)不同的像素上產(chǎn)生的輸出信號(hào)不完全相同。噪聲正是這樣被引入的。對(duì)付固定圖形噪聲可以應(yīng)用雙采樣或相關(guān)雙采樣技術(shù)。具體地說(shuō)來(lái)有點(diǎn)像在設(shè)計(jì)模擬放大器時(shí)引入差分對(duì)來(lái)抑制共模噪聲。雙采樣是先讀出光照產(chǎn)生的電荷積分信號(hào)，暫存然后對(duì)像素單元進(jìn)行復(fù)位，再讀取此像素單元地輸出信號(hào)。兩者相減得出圖像信號(hào)。兩種采樣均能有效抑制固定圖形噪聲。另外，相關(guān)雙采樣需要臨時(shí)存儲(chǔ)單元，隨著像素的增加，存儲(chǔ)單元也要增加。

3.2暗電流：

物理器件不可能是理想的，如同亞閾值效應(yīng)一樣，由于雜質(zhì)、受熱等其他原因的影響，即使沒(méi)有光照射到像素，像素單元也會(huì)產(chǎn)生電荷，這些電荷產(chǎn)生了暗電流。暗電流與光照產(chǎn)生的電荷很難進(jìn)行區(qū)分。暗電流在像素陣列各處也不完全相同，它會(huì)導(dǎo)致固定圖形噪聲。對(duì)于含有積分功能的像素單元來(lái)說(shuō)，暗電流所造成的固定圖形噪聲與積分時(shí)間成正比。暗電流的產(chǎn)生也是一個(gè)隨機(jī)過(guò)程，它是散彈噪聲的一個(gè)來(lái)源。因此，熱噪聲元件所產(chǎn)生的暗電流大小等于像素單元中的暗電流電子數(shù)的平方根。當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間的積分單元被采用時(shí)，這種類型的噪聲就變成了影響圖像信號(hào)質(zhì)量的主要因素，對(duì)于昏暗物體，長(zhǎng)時(shí)間的積分是必要的，并且像素單元電容容量是有限的，于是暗電流電子的積累限制了積分的最長(zhǎng)時(shí)間。

為減少暗電流對(duì)圖像信號(hào)的影響，首先可以采取降溫手段。但是，僅對(duì)芯片降溫是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，由暗電流產(chǎn)生的固定圖形噪聲不能完全通過(guò)雙采樣克服。采用的有效的方法是從已獲得的圖像信號(hào)中減去參考暗電流信號(hào)。

3.3象素的飽和與溢出模糊：

類似于放大器由于線性區(qū)的范圍有限而存在一個(gè)輸入上限，對(duì)于CMOS圖像傳感芯片來(lái)說(shuō)，它也有一個(gè)輸入的上限。輸入光信號(hào)若超過(guò)此上限，像素單元將飽和而不能進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換。對(duì)于含有積分功能的像素單元來(lái)說(shuō)，此上限由光電子積分單元的容量大小決定：對(duì)于不含積分功能的像素單元，該上限由流過(guò)光電二極管或三極管的最大電流決定。在輸入光信號(hào)飽和時(shí)，溢出模糊就發(fā)生了。溢出模糊是由于像素單元的光電子飽和進(jìn)而流出到鄰近的像素單元上。溢出模糊反映到圖像上就是一片特別亮的區(qū)域。這有些類似于照片上的曝光過(guò)度。溢出模糊可通過(guò)在像素單元內(nèi)加入自動(dòng)泄放管來(lái)克服，泄放管可以有效地將過(guò)剩電荷排出。但是，這只是限制了溢出，卻不能使像素能真實(shí)還原出圖像了。

（四）CMOS圖像傳感器件的應(yīng)用：

1、數(shù)碼相機(jī)

人們使用膠卷照相機(jī)已經(jīng)上百年了，20世紀(jì)80年代以來(lái)，人們利用高新技術(shù)，發(fā)展了不用膠卷的CCD數(shù)碼相機(jī)。使傳統(tǒng)的膠卷照相機(jī)產(chǎn)生了根本的變化。電可寫可控的廉價(jià)FLASH ROM的出現(xiàn)，以及低功耗、低價(jià)位的CMOS攝像頭的問(wèn)世。為數(shù)碼相機(jī)打開了新的局面。

數(shù)碼相機(jī)的內(nèi)部裝置已經(jīng)和傳統(tǒng)照相機(jī)完全不同了，彩色CMOS攝像頭在電子快門的控制下，攝取一幅照片存于DRAM中，然后再轉(zhuǎn)至FLASH ROM中存放起來(lái)。根據(jù)FLASH ROM的容量和圖像數(shù)據(jù)的壓縮水平，可以決定能存照片的張數(shù)。如果將ROM換成PCMCIA卡，就可以通過(guò)換卡，擴(kuò)大數(shù)碼相機(jī)的容量，這就像更換膠卷一樣，將數(shù)碼相機(jī)的數(shù)字圖像信息轉(zhuǎn)存至PC機(jī)的硬盤中存貯，這就大大方便了照片的存貯、檢索、處理、編輯和傳送。

2、CMOS數(shù)字?jǐn)z像機(jī)

美國(guó)Omni Vison公司推出的由OV7610型CMOS彩色數(shù)字圖像芯片和OV511型高級(jí)攝像機(jī)以及USB接口芯片所組成的USB攝像機(jī)，其分辨率高達(dá)640 x 480,適用于通過(guò)通用串行總線傳輸?shù)囊曨l系統(tǒng)。OV511型高級(jí)攝像機(jī)的推出，可使得PC機(jī)能以更加實(shí)時(shí)的方法獲取大量視頻信息，其壓縮芯片的壓縮比可以達(dá)到7:1,從而保證了圖像傳感器到PC機(jī)的快速圖像傳輸。對(duì)于CIF圖像格式，OV511型可支持高達(dá)30幀/秒的傳輸速率、減少了低帶寬應(yīng)用中通常會(huì)出現(xiàn)的圖像跳動(dòng)現(xiàn)象。OV511型作為高性能的USB接口的控制器，它具有足夠的靈活性，適合包括視頻會(huì)議、視頻電子郵件、計(jì)算機(jī)多媒體和保安監(jiān)控等場(chǎng)合應(yīng)用。

3、其他領(lǐng)域應(yīng)用

CMOS圖像傳感器是一種多功能傳感器，由于它兼具CCD圖像傳感器的性能，因此可進(jìn)入CCD的應(yīng)用領(lǐng)域，但它又有自己獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，所以開拓了許多新的應(yīng)用領(lǐng)域。除了上述介紹的主要應(yīng)用之外，CMOS圖像傳感器還可應(yīng)用于數(shù)字靜態(tài)攝像機(jī)和醫(yī)用小型攝像機(jī)等。例如，心臟外科醫(yī)生可以在患者胸部安裝一個(gè)小“硅眼”,以便在手術(shù)后監(jiān)視手術(shù)效果，CCD就很難實(shí)現(xiàn)這種應(yīng)用。

4、應(yīng)用于X光機(jī)市場(chǎng)

在牙科用X光機(jī)市場(chǎng)上，用于從口腔內(nèi)側(cè)給1～2顆牙拍攝X光片的小型CMOS傳感器在歐洲已達(dá)到實(shí)用水平，在美國(guó)也在推廣。而在從口腔外側(cè)拍攝全景X光片的X光機(jī)領(lǐng)域，今后仍將以CCD傳感器為主。

以上從與CCD的對(duì)比開始，介紹CMOS圖像傳感器器件物理層次的原理、性能、優(yōu)點(diǎn)、不足及應(yīng)對(duì)措施;之后談及了CMOS圖像傳感器的市場(chǎng)狀況以及一些應(yīng)用領(lǐng)域。從中可以看出，作為一種新生的半導(dǎo)體器件，CMOS以其自身的特點(diǎn)表現(xiàn)出了極大的優(yōu)勢(shì)和潛力，這種潛力將在不久的未來(lái)進(jìn)一步得到發(fā)揮。

二、相機(jī)的cmos在相機(jī)哪個(gè)位置

相機(jī)的cmos在快門后面，平時(shí)是被反光板和快門簾幕遮住的。單反設(shè)置項(xiàng)里有一項(xiàng)翻起反光板以清潔CMOS這一選項(xiàng)，選中后卸下鏡頭，按下快門就可看到。也可以卸下鏡頭后，用使用M檔，速度調(diào)到“B門”，按下快門也能看到。
攝像機(jī)（videocamera）是一種使用光學(xué)原理來(lái)記錄影像的設(shè)備，由鏡頭、話筒、機(jī)身、尋像器、電池盒等器件組成，主要用于電影及電視節(jié)目制作。其早期使用的是底片或者錄像帶來(lái)進(jìn)行紀(jì)錄，在數(shù)碼相機(jī)發(fā)明以后存儲(chǔ)在閃存內(nèi)，更新型的攝像機(jī)則是將影像數(shù)據(jù)直接存儲(chǔ)在機(jī)身的硬盤中。其按錄制功能分類，可分為攝錄一體機(jī)和攝影機(jī)。
攝像管、電子束器件，又分為析像管、光電倍增析像管、超正析像管和光導(dǎo)攝像管等幾種。新型攝像機(jī)中多使用小巧的氧化鉛光電攝像管。各種攝像管都有一個(gè)真空玻殼，里面裝有靶面和電子槍。被攝景物透過(guò)玻殼上的窗成像于靶面，利用靶面的光電發(fā)射效應(yīng)或光電導(dǎo)效應(yīng)將靶面各點(diǎn)的照度分布轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電位分布，將光圖像變成電圖像。在管外偏轉(zhuǎn)線圈驅(qū)動(dòng)下，電子束逐點(diǎn)逐行掃描靶面，把掃描路徑上各像素的電位信號(hào)按序輸出。

三、CCD和CMOS的區(qū)別

CCD與CMOS傳感器是當(dāng)前被普遍采用的兩種圖像傳感器，兩者都是利用感光二極管(photodiode)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，將圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，而其主要差異是數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳送的方式不同。

CCD傳感器中每一行中每一個(gè)象素的電荷數(shù)據(jù)都會(huì)依次傳送到下一個(gè)象素中，由最底端部分輸出，再經(jīng)由傳感器邊緣的放大器進(jìn)行放大輸出；而在CMOS傳感器中，每個(gè)象素都會(huì)鄰接一個(gè)放大器及A/D轉(zhuǎn)換電路，用類似內(nèi)存電路的方式將數(shù)據(jù)輸出。

造成這種差異的原因在于：CCD的特殊工藝可保證數(shù)據(jù)在傳送時(shí)不會(huì)失真，因此各個(gè)象素的數(shù)據(jù)可匯聚至邊緣再進(jìn)行放大處理；而CMOS工藝的數(shù)據(jù)在傳送距離較長(zhǎng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生噪聲，因此，必須先放大，再整合各個(gè)象素的數(shù)據(jù)。

由于數(shù)據(jù)傳送方式不同，因此CCD與CMOS傳感器在效能與應(yīng)用上也有諸多差異，這些差異包括：

1、靈敏度差異：由于CMOS傳感器的每個(gè)象素由四個(gè)晶體管與一個(gè)感光二極管構(gòu)成(含放大器與A/D轉(zhuǎn)換電路)，使得每個(gè)象素的感光區(qū)域遠(yuǎn)小于象素本身的表面積，因此在象素尺寸相同的情況下，CMOS傳感器的靈敏度要低于CCD傳感器。

2、成本差異：由于CMOS傳感器采用一般半導(dǎo)體電路最常用的CMOS工藝，可以輕易地將周邊電路(如AGC、CDS、Timing generator、或DSP等)集成到傳感器芯片中，因此可以節(jié)省外圍芯片的成本；除此之外，由于CCD采用電荷傳遞的方式傳送數(shù)據(jù)，只要其中有一個(gè)象素不能運(yùn)行，就會(huì)導(dǎo)致一整排的數(shù)據(jù)不能傳送，因此控制CCD傳感器的成品率比CMOS傳感器困難許多，即使有經(jīng)驗(yàn)的廠商也很難在產(chǎn)品問(wèn)世的半年內(nèi)突破 50%的水平，因此，CCD傳感器的成本會(huì)高于CMOS傳感器。

3、分辨率差異：如上所述，CMOS傳感器的每個(gè)象素都比CCD傳感器復(fù)雜，其象素尺寸很難達(dá)到CCD傳感器的水平，因此，當(dāng)我們比較相同尺寸的CCD與CMOS傳感器時(shí)，CCD傳感器的分辨率通常會(huì)優(yōu)于CMOS傳感器的水平。例如，目前市面上CMOS傳感器最高可達(dá)到210萬(wàn)象素的水平(OmniVision的 OV2610，2002年6月推出)，其尺寸為1/2英寸，象素尺寸為4.25μm，但Sony在2002年12月推出了ICX452，其尺寸與 OV2610相差不多(1/1.8英寸)，但分辨率卻能高達(dá)513萬(wàn)象素，象素尺寸也只有2.78mm的水平。

4、噪聲差異：由于CMOS傳感器的每個(gè)感光二極管都需搭配一個(gè)放大器，而放大器屬于模擬電路，很難讓每個(gè)放大器所得到的結(jié)果保持一致，因此與只有一個(gè)放大器放在芯片邊緣的CCD傳感器相比，CMOS傳感器的噪聲就會(huì)增加很多，影響圖像品質(zhì)。

5、功耗差異：CMOS傳感器的圖像采集方式為主動(dòng)式，感光二極管所產(chǎn)生的電荷會(huì)直接由晶體管放大輸出，但CCD傳感器為被動(dòng)式采集，需外加電壓讓每個(gè)象素中的電荷移動(dòng)，而此外加電壓通常需要達(dá)到12~18V；因此，CCD傳感器除了在電源管理電路設(shè)計(jì)上的難度更高之外(需外加 power IC)，高驅(qū)動(dòng)電壓更使其功耗遠(yuǎn)高于CMOS傳感器的水平。舉例來(lái)說(shuō)，OmniVision近期推出的OV7640(1/4英寸、VGA)，在 30 fps的速度下運(yùn)行，功耗僅為40mW；而致力于低功耗CCD傳感器的Sanyo公司去年推出了1/7英寸、CIF等級(jí)的產(chǎn)品，其功耗卻仍保持在90mW 以上，雖然該公司近期將推出35mW的新產(chǎn)品，但仍與CMOS傳感器存在差距，且仍處于樣品階段。

綜上所述，CCD傳感器在靈敏度、分辨率、噪聲控制等方面都優(yōu)于CMOS傳感器，而CMOS傳感器則具有低成本、低功耗、以及高整合度的特點(diǎn)。不過(guò)，隨著CCD與CMOS傳感器技術(shù)的進(jìn)步，兩者的差異有逐漸縮小的態(tài)勢(shì)，例如，CCD傳感器一直在功耗上作改進(jìn)，以應(yīng)用于移動(dòng)通信市場(chǎng)(這方面的代表業(yè)者為Sanyo)；CMOS傳感器則在改善分辨率與靈敏度方面的不足，以應(yīng)用于更高端的圖像產(chǎn)品。