CMOS圖像傳感器基本原理與應(yīng)用簡介

4.2 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，即使沒有光照射到象素，象素單元也會(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。對于含有積分功能的像素單元來說，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)過程，它是散彈噪聲的一個(gè)來源。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，對于昏暗物體，長時(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時(shí)間。

為減少暗電流對圖像信號(hào)的影響，首先可以采取降溫手段。但是，僅對芯片降溫是遠(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雙采樣克服?，F(xiàn)在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)。

4.3 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，對于CMOS圖像傳感芯片來說，它也有一個(gè)輸入的上限。輸入光信號(hào)若超過此上限，像素單元將飽和而不能進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換。對于含有積分功能的像素單元來說，此上限由光電子積分單元的容量大小決定：對于不含積分功能的像素單元，該上限由流過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度。溢出模糊可通過在像素單元內(nèi)加入自動(dòng)泄放管來克服，泄放管可以有效地將過剩電荷排出。但是，這只是限制了溢出，卻不能使象素能真實(shí)還原出圖像了。

5 CMOS圖像傳感器的市場狀況

據(jù)市場調(diào)研公司Cahners In-stat Group預(yù)測，未來幾年內(nèi)，基于CMOS圖像傳感器的影像產(chǎn)品將達(dá)到50％以上，也就是說，到時(shí)CMOS 圖像傳感器將取代CCD而成為市場的主流。可見，CMOS攝像機(jī)的市場前景非常廣闊 。

今后幾年，全球CMOS圖像傳感器銷售量將迅速增加，并將在許多數(shù)字圖像應(yīng)用領(lǐng)域向傳統(tǒng)的CCD發(fā)起沖擊。這是因?yàn)镃MOS圖像傳感器件具有兩大優(yōu)點(diǎn)：一是價(jià)格比CCD 器件低15%~25%；二是其芯片的結(jié)構(gòu)可方便地與其它硅基元器件集成，從而可有效地降低整個(gè)系統(tǒng)的成本。盡管過去CMOS圖像傳感器的圖像質(zhì)量比CCD差且分辨率低，然而經(jīng)過迅速改進(jìn)，已不斷逼近CCD的技術(shù)水平，目前這種傳感器件已廣泛應(yīng)用于對分辨率要求較低的數(shù)字相機(jī)、電子玩具、電視會(huì)議和保安系統(tǒng)的攝像結(jié)構(gòu)中。

日本Nintendo有限公司推出的采用CMOS圖像傳感器的低分辨率數(shù)字相機(jī)，上市頭兩個(gè)月，銷售量就達(dá)100萬臺(tái)。三菱公司、摩托羅拉、惠普、東芝和Intel公司也緊接著上市該類產(chǎn)品。

6 CMOS圖像傳感器件的應(yīng)用

6.1 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，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攝像頭的問世。為數(shù)碼相機(jī)打開了新的局面，數(shù)碼相機(jī)功能框圖如右下圖所示。

從圖中可以看出，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。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。

6.2 CMOS數(shù)字?jǐn)z像機(jī)

美國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)控等場合應(yīng)用。

6.3 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。

7 總結(jié)

以上從與CCD的對比開始，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)對措施；之后談及了CMOS圖像傳感器的市場狀況以及一些應(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)勢和潛力，這種潛力將在不久的未來進(jìn)一步得到發(fā)揮。