CMOS摄像器件和红外焦平面器
30页1、、CMOS摄摄像器件 1990s,CMOS技术术用于图图像传传感器,其优优点结结构简单简单 ,耗电电量是普通CCD的1/3,制造成本比CCD低,可将处处理电电路等完全集成。1、CMOS像素结结构 无源像素结结构,1967,Weckler无源像素单单元具有结结构简单简单 、像素填充率高及量子效率比较较高的优优点。但是,由于传输线电传输线电 容较较大,CMOS无源像素传传感器的读读出噪声较较高,而且随着像素数目增加,读读出速率加快,读读出噪声变变得更大。 无源像素型(PPS)和有源像素型(APS) 由一反向偏置光敏二极管和一个开关管构成,开关管开启,二极管与垂直列线线连连通,信号电电荷 读读出。有源像素结结构APS(Active Pixel Structure )光电电二极管型有源像素(PPAPS)1994,哥伦伦比亚亚大学 在像元内引入缓缓冲器或放大器,可改善像元性能,称为为有源像素传传感器。功耗小,量子效率高。每个像元有3个晶体管。大多数中低性能的应应用 。光栅栅型有源像素结结构(GPAPS)光栅栅型有源像素型CMOS每个像素5个晶体管,采用0.25um CMOS工艺艺允许许达到5um
2、像素间间距,浮置扩扩散电电容的典型值为值为 10-14F量级级,产产生20uV/e的增益,读读出噪声可达5-20均方根电电子。成像质质量高。工作过过程: 光生信号电电荷积积分在光栅栅PG下,浮置扩扩散节节点A复位(电压电压 VDD);然后改变变光栅栅脉冲,收集在光栅栅下的信号电电荷 转转移到扩扩散节节点。复位电压电压 水平与信号电压电压 水平之差即传传感器的输输出信号。p1997年,东东芝公司研制成功640*640像素光敏二极管型CMOS APS,像素尺寸umum,具有彩色滤滤色膜和微透镜阵镜阵 列。p2000年,美国Foveon公司和美国国家半导导体公司采用umCMOS工艺艺研制成功4096*4096像素CMOS APS,像素尺寸5um*5um,管芯尺寸22mm*22mm,是集成度最高,分辨率最高的CMOS固体摄摄像器件。 微透镜镜改善低光特性 CMOS APS图图像传传感器的功耗较较小。但与PPS相比,有源像素结结构的填充系数小,典型值为值为 20%-30%。像素尺寸减小后低光照下灵敏度迅速降低,采用滤滤色片和在CMOS上制作微透镜组镜组 合以及CMOS工艺艺的优势优势 ,前景好于
3、CCD。p外界光照射像素阵阵列,产产生信号电电荷,行选选通逻逻辑单辑单 元选选通相应应的行像素单单元,单单元内信号电电荷通过过各自所在列总线传输总线传输 到对应对应 的模拟拟信号处处理器(ASP)及A/D变换变换 器,转换转换 成相应应的数字图图像信号输输出。p行选选通单单元扫扫描方式:逐行扫扫描和隔行扫扫描。 隔行扫扫描可以提高图图像的场频场频 ,但会降低图图像的清晰度。p行选选通逻辑单逻辑单 元和列选选通逻辑单逻辑单 元配合,可以实实现现图图像的窗口提取功能,读读出感兴兴趣窗口内像元的图图像信息。 2、CMOS摄摄像器件的总总体结结构MOS 摄摄像器件的工作原理:Y1 Y2信号输输出Y移位寄存器X 移位寄存器X1X2RLEMOS开关光电电二极管A/D数字信号输输出3、CMOS与CCD器件的比较较 CCD摄摄像器件p灵敏度高、噪声低、像素面积积小p难难与驱动电驱动电 路及信号处处理电电路单单片集成,需要使用相对对高的工作电压电压 ,制造成本比较较高 CMOS摄摄像器件p集成能力强、体积积小、工作电压单电压单 一、功耗低、动态动态 范围宽围宽 、抗辐辐射和制造成本低p需进进一步提高器件
4、的信噪比和灵敏度CMOS与CCD器件的对对比 CCD vs. CMOSpIntegrationpPower Consumption pResolutionpImage Quality pSpeed pCostExcellent 20-50 mWUp to 12 MpixBeing improvedUp to thousands frame/s Poor2-5 WUp to 14 MpixHistorically bestUsually up to 100 frame/sNikon D100$2,500Canon 300D$800、红红外焦平面器件 第三代第三代红红红红外外热热热热像技像技术术术术 Infrared Focal Plane Arrays, IRFPA红红外热热像仪仪的基本结结构红红外热热像仪仪的核心-红红外焦平面器件克服了主动红动红 外夜视视需要依靠人工热辐热辐 射,并由此产产生容易自我暴露的缺点;克服了被动动微光夜视视完全依赖赖于环环境自然光和无光不能成像的缺点; 穿透烟雾雾和尘尘埃的能力很强;目标伪标伪 装困难难;远远距离、全天候观观察;有很高的温度灵敏度和较较高的空
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