CMOS 圖像傳感器可處理高難度任務(wù)

2005年4月A版

摘要：CMOS 圖像傳感器在許多領(lǐng)域中都被視為未來的成像器件。其出色的特性不僅能滿足工業(yè)及專業(yè)領(lǐng)域中嚴(yán)格的圖像捕獲要求，而且還會(huì)對(duì)我們的日常生活產(chǎn)生越來越深入的影響。FillFactory公司采用 660 萬像素高分辨率 CMOS 圖像傳感器（圖 1）所采用的技術(shù)，以及在該器件基礎(chǔ)上針對(duì)視力不佳人士開發(fā)推出的全球首部自動(dòng)閱讀設(shè)備MyReader。

關(guān)鍵詞：CMOS圖像傳感器；自動(dòng)閱讀設(shè)備

1    CMOS 圖像傳感器技術(shù)從系統(tǒng)集成角度講，CMOS 技術(shù)通常是照相機(jī)系統(tǒng)及圖像采集設(shè)備實(shí)施平臺(tái)的最佳解決方案。CMOS 圖像傳感器能將其所有輔助電路集成到同一芯片上，因?yàn)檫@些電路都是以相同技術(shù)實(shí)施的。

    CMOS 圖像傳感器滿足了現(xiàn)代圖像傳感器快速增長(zhǎng)的應(yīng)用要求。舉例來說，日益提高的要求有：簡(jiǎn)化的系統(tǒng)集成；低功耗要求；靈活的圖象捕獲；多種快門類型；更高的動(dòng)力。

    便攜式設(shè)備對(duì)低功耗的要求尤其突出。CMOS 技術(shù)因其節(jié)能特性而聞名，是低功耗應(yīng)用領(lǐng)域的理想選擇，因?yàn)樗碾娫措妷狠^低，僅 3.3 V。CMOS的另一優(yōu)勢(shì)在于其不使用外部電路，因?yàn)橐粔K圖像傳感器芯片上可集成一切。

    就傳感器讀取而言，CMOS 提供了更多的可能性，因其具有與存儲(chǔ)器一樣的可自由尋址特性，而且還能讀出單獨(dú)的像素。多種多樣的圖像次級(jí)采樣 (subsampling) 操作模式能夠以較低的分辨率實(shí)現(xiàn)更高的圖像速率，這是因?yàn)閭鞲衅鞯墓ぷ鲙挻篌w保持不變。同樣，窗口函數(shù) (window function) 也能大大加快對(duì)傳感器陣列有意義部分的讀取速度。

    CMOS 技術(shù)為客戶提供了讀取全幀圖像的最佳性能。170 萬像素的 CMOS 傳感器能容易獲得1000幀/秒圖像。在這種高速讀取速度下也不會(huì)產(chǎn)生高功耗（它與噪音增大密切相關(guān)）等問題。

2    高分辨率傳感器

    圖像捕獲發(fā)展的趨勢(shì)顯然是面向更高分辨率的。FillFactory 已經(jīng)為柯達(dá)數(shù)碼相機(jī)提供了 35mm規(guī)格 1400 萬像素的圖像傳感器；不過，660 萬像素的傳感器 IBIS4-6600 已經(jīng)能夠提供A4 頁面所需的良好分辨率了。此性能可為弱視力人士造就一款具有突破性的產(chǎn)品。下文將詳細(xì)介紹一款稱為MyReader的弱視力自動(dòng)閱讀器，它的構(gòu)建基礎(chǔ)是 FillFactory 提供的、先進(jìn)的 CMOS 技術(shù)，可幫助弱視力人群閱讀任何書籍或信件，甚至能夠像視力正常者一樣進(jìn)行書寫，從而改善弱視力者的生活。該設(shè)備在同一芯片上提供了由模擬圖像捕獲、數(shù)字化以及信號(hào)預(yù)處理構(gòu)成的完整的子系統(tǒng)。其 2210 x 3002 像素的傳感器陣列建立在具有高填充因子的 3.5 x 3.5_m的3晶體管器件（受專利保護(hù)的 n-Well pixel 技術(shù)）基礎(chǔ)之上。具備 10 位分辨率的并行輸出轉(zhuǎn)換器可每秒生成 5 幀全圖像，采樣40 MSPS。如果針對(duì)特別感興趣的圖像部分利用5種圖像子采樣操作模式中的一種或采用窗口功能，我們就能大幀提高圖像速率：VGA 格式（640 x 480 像素）的部分窗口輸出為每秒超過 80 幀。圖像傳感器還允許無損讀取，即采用相關(guān)雙采樣進(jìn)一步消除噪聲。該設(shè)備提供黑白或彩色傳感器版本，具有紅、綠、藍(lán)彩色過濾器（RGB，Bayer 模式），采用68 引腳 LCC陶瓷封裝。表1 列出了其關(guān)鍵的技術(shù)參數(shù)。對(duì)于與標(biāo)準(zhǔn)視頻編碼器的連接而言，該圖像傳感器為圖像、掃描線路以及像素均提供了同步信號(hào)及 10 位圖像數(shù)據(jù)。

    圖2給出的結(jié)構(gòu)圖顯示了圖像傳感器的架構(gòu)，它基本上包括像素陣列、在 X 及 Y 軸方向的讀出移位寄存器、并行模擬輸出放大器以及降低固定模式噪聲的列放大器。位于相同芯片上的輔助電路完全與雙通道圖像捕獲區(qū)的電路隔離，也。這些輔助電路包含兩個(gè)可調(diào)整像素偏移水平的數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC)，還包括一個(gè)用于特殊功能的 DAC，以及兩個(gè) 10 位ADC，分別以 20 MSPS 的速率將模擬傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化。它們是工作在 40 MSPS的輸出速率上的多路復(fù)用模式。用于決定窗口函數(shù)的 X 及 Y 寄存器起始地址等許多參數(shù)都可通過三線接口傳輸至模塊，靈活性大幅幀增加。

    我們還提供一款評(píng)估套件，以支持 IBIS4-6600 用戶，其包括一個(gè)多功能數(shù)字 PCB（存儲(chǔ)器、序列發(fā)生器及 FireWire 接口)以及一個(gè)帶有圖像傳感器的模擬 PCB。Visual Basic 開發(fā)環(huán)境實(shí)現(xiàn)了傳感器的圖像捕獲、復(fù)制以及圖像序列，并能夠以多種文件格式進(jìn)行保存。操作過程中還可更改所有設(shè)置，因此可針對(duì)目標(biāo)應(yīng)用檢查及設(shè)置傳感器參數(shù)。

3 MyReader 弱視力自動(dòng)閱讀器

    視力下降尤其會(huì)影響閱讀能力，也給日常生活造成不便。僅德國而言，受影響的人群就超過 50 萬。起初，視力下降者會(huì)借助放大鏡的幫助進(jìn)行閱讀，這種放大鏡只是采用光學(xué)放大的原理。隨著視力不斷惡化，這種方法就不夠用了，他們轉(zhuǎn)而采用不同類型的光電屏幕閱讀系統(tǒng)（視頻放大鏡）。上述系統(tǒng)可通過半導(dǎo)體照相機(jī)捕獲書籍、雜志、報(bào)紙以及用藥手冊(cè)或說明上的內(nèi)容，并在屏幕上顯示這些內(nèi)容。即使是視力極其微弱的人，若使用更高的對(duì)比度，經(jīng)過放大的圖像也能在一定程度上彌補(bǔ)其視力的不足。不過，必須手動(dòng)將要閱讀的物件置放在放大設(shè)備下，因此我們還得從一行結(jié)尾移動(dòng)至下一行的開頭。人工手動(dòng)從事上述工作會(huì)造成許多不便，比如難以找到所需的正確行或列等。特別是在放大度很高的情況下，相關(guān)工作也會(huì)變得相當(dāng)單調(diào)繁重，而且也妨礙了閱讀的進(jìn)行，從而影響我們對(duì)文本的理解，破壞了閱讀的樂趣。這樣的閱讀也會(huì)使讀者疲憊不堪。

    由于有了 660 萬像素的 CMOS 圖像傳感器 IC IBIS4-6600，我們得以推出閱讀設(shè)備。

    開發(fā)人員多年來努力改善閱讀設(shè)備，提高性能及用戶使用的便利性。目前，來自新西蘭的一項(xiàng)新的開發(fā)成果已登陸歐洲市場(chǎng)。一款領(lǐng)先的自動(dòng)閱讀器在法蘭克福舉行的專業(yè)展覽 SightCity 2004 (www.sightcity.de) 上推出，專門為盲人和視力障礙人士提供幫助。與其前代產(chǎn)品不同，Pulse Data (www.myReader.com) 推出的新型 myReader 設(shè)備（圖 3）可掃描并捕獲的最大頁面格式為A4頁面，并以您希望的布局自動(dòng)顯示：可在 15 英寸或 21 英寸無抖動(dòng)顯示屏上斷行顯示（列布局）、連續(xù)行顯示（行布局），也可逐詞地顯示（詞布局），從而可根據(jù)用戶要求通過方便易用的控制設(shè)備隨意調(diào)整閱讀速度。在自動(dòng)滾動(dòng)技術(shù)的幫助下，我們不再需要通過 XY進(jìn)行傳統(tǒng)的文檔“導(dǎo)航”。因此，MyReader 使人們不再受困于視力問題，也不再為使用手工閱讀器而苦惱。該影像設(shè)備不僅能夠閱讀，而且還能幫助用戶寫信、找出填字游戲的答案或以即時(shí)寫入模式作記錄，這些功能都采用了 CMOS 技術(shù)提供的各種資源，從而使用戶能夠輕松完成其任務(wù)。高分辨率的CMOS 圖像傳感器正在征服越來越多的新應(yīng)用領(lǐng)域，并改善著我們的生活。

參考文獻(xiàn)：

1. ’CMOS丞相的高級(jí)開發(fā)’，B.Dierickx、J.Bogaerts，摘自多伊士堡 Fraunhofer IMS 專題討論會(huì)，2004.
2.‘高敏感度像素結(jié)構(gòu)（填充系數(shù)）’，US6,225,670.  

圖 1：CMOS 圖像傳感器 IBIS4-6600
圖 2：高分辨率 CMOS 圖像傳感器 IBIS4-6600 結(jié)構(gòu)圖。虛線區(qū)域內(nèi)的所有元件均集成在傳感器芯片上。
圖 3：針對(duì)視力減弱者推出的第一款自動(dòng)閱讀器 特點(diǎn)屬性值 分辨率 3002 x 2210 像素像素 3.5 _m 像素類型受專利保護(hù)的 3 晶體管單元作為N-Well 像素，填充因子較高光學(xué)活動(dòng)傳感器區(qū)域 7.74 x 10.51 mm 像素速率 40 MHz 動(dòng)態(tài)范圍 61 dB，可通過雙斜率 (double-slope) 集成擴(kuò)展數(shù)字輸出 10位幀速率（全圖像） 5 Hz 讀取模式全圖像以及圖像子采樣與窗口函數(shù)，具有較高幀率快門類型羅拉式遮光簾 (Roller blind shutter) 可編程性可通過三線接口進(jìn)行編程電源電壓 2.5 V 電流 < 78 mA 封裝 68 引腳 LCC 表 1：660 萬像素圖像傳感器 IBIS4-6600 的特性 *注：FillFactory是Cypress的子公司