內(nèi)容提要：【相機cmos】 熱度：12

一、相機的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)動器、列驅(qū)動器、時序控制邏輯、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)的圖像信號通過各自所在列的信號總線傳輸?shù)綄?yīng)的模擬信號處理單元以及A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像信號輸出。其中的行選擇邏輯單元可以對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現(xiàn)圖像的窗口提取功能。模擬信號處理單元的主要功能是對信號進行放大處理，并且提高信噪比。另外，為了獲得質(zhì)量合格的實用攝像頭，芯片中必須包含各種控制電路，如曝光時間控制、自動增益控制等。為了使芯片中各部分電路按規(guī)定的節(jié)拍動作，必須使用多個時序控制信號。為了便于攝像頭的應(yīng)用，還要求該芯片能輸出一些時序信號，如同步信號、行起始信號、場起始信號等。

（二）像素陣列工作原理：

圖像傳感器一個直觀的性能指標就是對圖像的復(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源像素單元PPS(passive pixel schematic)，有源像素單元APS(activepixel schematic)和對數(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，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。

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

2、然后進入“取樣狀態(tài)”，這時關(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)過一個固定時間間隔后，電容C上存留的電荷量就與光照成正比例，這時就將一幅圖像攝入到了敏感元件陣列之中了;

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

無源像素單元PPS出現(xiàn)得最早，自出現(xiàn)以來結(jié)構(gòu)沒有多大變化。無源像素單元PPS結(jié)構(gòu)簡單，像素填充率高，量子效率比較高，但它有兩個顯著的缺點。一是，它的讀出噪聲比較大，其典型值為20個電子，而商業(yè)用的CCD級技術(shù)芯片其讀出噪聲典型值為20個電子。二，隨著像素個數(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)，輸出圖形信號質(zhì)量比以前有許多提高，讀出噪聲一般為75~100個電子，此種結(jié)構(gòu)的C3&適合于中低檔的應(yīng)用場合。

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個電子。但它的工藝比較復(fù)雜，嚴格說并不能算完全的CMOS工藝。由于多晶硅覆蓋層的引入，使其量子效率比較低，尤其對藍光更是如此。就目前看來，其整體性能優(yōu)勢并不十分突出。

（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不同的像素上產(chǎn)生的輸出信號不完全相同。噪聲正是這樣被引入的。對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)。具體地說來有點像在設(shè)計模擬放大器時引入差分對來抑制共模噪聲。雙采樣是先讀出光照產(chǎn)生的電荷積分信號，暫存然后對像素單元進行復(fù)位，再讀取此像素單元地輸出信號。兩者相減得出圖像信號。兩種采樣均能有效抑制固定圖形噪聲。另外，相關(guān)雙采樣需要臨時存儲單元，隨著像素的增加，存儲單元也要增加。

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，即使沒有光照射到像素，像素單元也會產(chǎn)生電荷，這些電荷產(chǎn)生了暗電流。暗電流與光照產(chǎn)生的電荷很難進行區(qū)分。暗電流在像素陣列各處也不完全相同，它會導(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間成正比。暗電流的產(chǎn)生也是一個隨機過程，它是散彈噪聲的一個來源。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。當長時間的積分單元被采用時，這種類型的噪聲就變成了影響圖像信號質(zhì)量的主要因素，對于昏暗物體，長時間的積分是必要的，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間。

為減少暗電流對圖像信號的影響，首先可以采取降溫手段。但是，僅對芯片降溫是遠遠不夠的，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。采用的有效的方法是從已獲得的圖像信號中減去參考暗電流信號。

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輸入上限，對于CMOS圖像傳感芯片來說，它也有一個輸入的上限。輸入光信號若超過此上限，像素單元將飽和而不能進行光電轉(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。在輸入光信號飽和時，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，卻不能使像素能真實還原出圖像了。

（四）CMOS圖像傳感器件的應(yīng)用：

1、數(shù)碼相機

人們使用膠卷照相機已經(jīng)上百年了，20世紀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。使傳統(tǒng)的膠卷照相機產(chǎn)生了根本的變化。電可寫可控的廉價FLASH ROM的出現(xiàn)，以及低功耗、低價位的CMOS攝像頭的問世。為數(shù)碼相機打開了新的局面。

數(shù)碼相機的內(nèi)部裝置已經(jīng)和傳統(tǒng)照相機完全不同了，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，擴大數(shù)碼相機的容量，這就像更換膠卷一樣，將數(shù)碼相機的數(shù)字圖像信息轉(zhuǎn)存至PC機的硬盤中存貯，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)字攝像機

美國Omni Vison公司推出的由OV7610型CMOS彩色數(shù)字圖像芯片和OV511型高級攝像機以及USB接口芯片所組成的USB攝像機，其分辨率高達640 x 480,適用于通過通用串行總線傳輸?shù)囊曨l系統(tǒng)。OV511型高級攝像機的推出，可使得PC機能以更加實時的方法獲取大量視頻信息，其壓縮芯片的壓縮比可以達到7:1,從而保證了圖像傳感器到PC機的快速圖像傳輸。對于CIF圖像格式，OV511型可支持高達30幀/秒的傳輸速率、減少了低帶寬應(yīng)用中通常會出現(xiàn)的圖像跳動現(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，適合包括視頻會議、視頻電子郵件、計算機多媒體和保安監(jiān)控等場合應(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，因此可進入CCD的應(yīng)用領(lǐng)域，但它又有自己獨特的優(yōu)點，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)攝像機和醫(yī)用小型攝像機等。例如，心臟外科醫(yī)生可以在患者胸部安裝一個小“硅眼”,以便在手術(shù)后監(jiān)視手術(shù)效果，CCD就很難實現(xiàn)這種應(yīng)用。

4、應(yīng)用于X光機市場

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

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、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一步得到發(fā)揮。

二、相機的cmos在相機哪個位置

相機的cmos在快門后面，平時是被反光板和快門簾幕遮住的。單反設(shè)置項里有一項翻起反光板以清潔CMOS這一選項，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（videocamera）是一種使用光學(xué)原理來記錄影像的設(shè)備，由鏡頭、話筒、機身、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進行紀錄，在數(shù)碼相機發(fā)明以后存儲在閃存內(nèi)，更新型的攝像機則是將影像數(shù)據(jù)直接存儲在機身的硬盤中。其按錄制功能分類，可分為攝錄一體機和攝影機。
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。新型攝像機中多使用小巧的氧化鉛光電攝像管。各種攝像管都有一個真空玻殼，里面裝有靶面和電子槍。被攝景物透過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)動下，電子束逐點逐行掃描靶面，把掃描路徑上各像素的電位信號按序輸出。

三、CCD和CMOS的區(qū)別

CCD與CMOS傳感器是當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)進行光電轉(zhuǎn)換，將圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)字數(shù)據(jù)，而其主要差異是數(shù)字數(shù)據(jù)傳送的方式不同。

CCD傳感器中每一行中每一個象素的電荷數(shù)據(jù)都會依次傳送到下一個象素中，由最底端部分輸出，再經(jīng)由傳感器邊緣的放大器進行放大輸出；而在CMOS傳感器中，每個象素都會鄰接一個放大器及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)在傳送時不會失真，因此各個象素的數(shù)據(jù)可匯聚至邊緣再進行放大處理；而CMOS工藝的數(shù)據(jù)在傳送距離較長時會產(chǎn)生噪聲，因此，必須先放大，再整合各個象素的數(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傳感器的每個象素由四個晶體管與一個感光二極管構(gòu)成(含放大器與A/D轉(zhuǎn)換電路)，使得每個象素的感光區(qū)域遠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)，只要其中有一個象素不能運行，就會導(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)驗的廠商也很難在產(chǎn)品問世的半年內(nèi)突破 50%的水平，因此，CCD傳感器的成本會高于CMOS傳感器。

3、分辨率差異：如上所述，CMOS傳感器的每個象素都比CCD傳感器復(fù)雜，其象素尺寸很難達到CCD傳感器的水平，因此，當我們比較相同尺寸的CCD與CMOS傳感器時，CCD傳感器的分辨率通常會優(yōu)于CMOS傳感器的水平。例如，目前市面上CMOS傳感器最高可達到210萬象素的水平(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513萬象素，象素尺寸也只有2.78mm的水平。

4、噪聲差異：由于CMOS傳感器的每個感光二極管都需搭配一個放大器，而放大器屬于模擬電路，很難讓每個放大器所得到的結(jié)果保持一致，因此與只有一個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式，感光二極管所產(chǎn)生的電荷會直接由晶體管放大輸出，但CCD傳感器為被動式采集，需外加電壓讓每個象素中的電荷移動，而此外加電壓通常需要達到12~18V；因此，CCD傳感器除了在電源管理電路設(shè)計上的難度更高之外(需外加 power IC)，高驅(qū)動電壓更使其功耗遠高于CMOS傳感器的水平。舉例來說，OmniVision近期推出的OV7640(1/4英寸、VGA)，在 30 fps的速度下運行，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。不過，隨著CCD與CMOS傳感器技術(shù)的進步，兩者的差異有逐漸縮小的態(tài)勢，例如，CCD傳感器一直在功耗上作改進，以應(yīng)用于移動通信市場(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。