CMOS圖像傳感器基本原理與應用簡介

4.2 暗電流

物理器件不可能是理想的，如同亞閾值效應一樣，由于雜質、受熱等其他原因的影響，即使沒有光照射到象素，象素單元也會產生電荷，這些電荷產生了暗電流。暗電流與光照產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，熱噪聲元件所產生的暗電流大小等于像素單元中的暗電流電子數的平方根。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，由暗電流產生的固定圖形噪聲不能完全通過雙采樣克服?，F在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。

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，卻不能使象素能真實還原出圖像了。

5 CMOS圖像傳感器的市場狀況

據市場調研公司Cahners In-stat Group預測，未來幾年內，基于CMOS圖像傳感器的影像產品將達到50％以上，也就是說，到時CMOS 圖像傳感器將取代CCD而成為市場的主流?？梢?，CMOS攝像機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，并將在許多數字圖像應用領域向傳統(tǒng)的CCD發(fā)起沖擊。這是因為CMOS圖像傳感器件具有兩大優(yōu)點：一是價格比CCD 器件低15%~25%；二是其芯片的結構可方便地與其它硅基元器件集成，從而可有效地降低整個系統(tǒng)的成本。盡管過去CMOS圖像傳感器的圖像質量比CCD差且分辨率低，然而經過迅速改進，已不斷逼近CCD的技術水平，目前這種傳感器件已廣泛應用于對分辨率要求較低的數字相機、電子玩具、電視會議和保安系統(tǒng)的攝像結構中。

日本Nintendo有限公司推出的采用CMOS圖像傳感器的低分辨率數字相機，上市頭兩個月，銷售量就達100萬臺。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品。

6 CMOS圖像傳感器件的應用

6.1 數碼相機

人們使用膠卷照相機已經上百年了，20世紀80年代以來，人們利用高新技術，發(fā)展了不用膠卷的CCD數碼相機。使傳統(tǒng)的膠卷照相機產生了根本的變化。電可寫可控的廉價FLASH ROM的出現，以及低功耗、低價位的CMOS攝像頭的問世。為數碼相機打開了新的局面，數碼相機功能框圖如右下圖所示。

從圖中可以看出，數碼相機的內部裝置已經和傳統(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，然后再轉至FLASH ROM中存放起來。根據FLASH ROM的容量和圖像數據的壓縮水平，可以決定能存照片的張數。如果將ROM換成PCMCIA卡，就可以通過換卡，擴大數碼相機的容量，這就像更換膠卷一樣，將數碼相機的數字圖像信息轉存至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。

6.2 CMOS數字攝像機

美國Omni Vison公司推出的由OV7610型CMOS彩色數字圖像芯片和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的視頻系統(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、減少了低帶寬應用中通常會出現的圖像跳動現象。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)控等場合應用。

6.3 其他領域應用

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的應用領域，但它又有自己獨特的優(yōu)點，所以開拓了許多新的應用領域。除了上述介紹的主要應用之外，CMOS圖像傳感器還可應用于數字靜態(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”，以便在手術后監(jiān)視手術效果，CCD就很難實現這種應用。

7 總結

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、不足及應對措施；之后談及了CMOS圖像傳感器的市場狀況以及一些應用領域。從中可以看出，作為一種新生的半導體器件，CMOS以其自身的特點表現出了極大的優(yōu)勢和潛力，這種潛力將在不久的未來進一步得到發(fā)揮。