CMOS摄像器件和红外焦平面器.ppt

、CMOS摄像器件
1990’s，CMOS技术用于图像传感器，其优点结构简单，耗电量是普通CCD的1/3，制造成本比CCD低，可将处理电路等完全集成。
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1、CMOS像素结构
无源像素结构，1967，Weckler
无源像素单元具有结构简单、像素填充率高及量子效率比较高的优点。但是，由于传输线电容较大，CMOS无源像素传感器的读出噪声较高，而且随着像素数目增加，读出速率加快，读出噪声变得更大。
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，二极管与垂直列线连通，信号电荷 读出。
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有源像素结构APS（Active Pixel Structure )
光电二极管型有源像素（PP－APS）1994，哥伦比亚大学
在像元内引入缓冲器或放大器，可改善像元性能，称为有源像素传感器。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用 。
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光栅型有源像素结构（GP－APS）
光栅型有源像素型CMOS每个像素5个晶体管， CMOS工艺允许达到5um像素间距，浮置扩散电容的典型值为10-14F量级，产生20uV/e的增益，读出噪声可达5-20均方根电子。成像质量高。
工作过程：
光生信号电荷积分在光栅PG下，浮置扩散节点A复位（电压VDD）；然后改变光栅脉冲，收集在光栅下的信号电荷 转移到扩散节点。复位电压水平与信号电压水平之差即传感器的输出信号。
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1997年，东芝公司研制成功640*640像素光敏二极管型CMOS APS，*，具有彩色滤色膜和微透镜阵列。
2000年，*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固体摄像器件。
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微透镜改善低光特性
CMOS APS图像传感器的功耗较小。但与PPS相比，有源像素结构的填充系数小，典型值为20%-30%。像素尺寸减小后低光照下灵敏度迅速降低，采用滤色片和在CMOS上制作微透镜组合以及CMOS工艺的优势，前景好于CCD。
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外界光照射像素阵列，产生信号电荷，行选通逻辑单元选通相应的行像素单元，单元内信号电荷通过各自所在列总线传输到对应的模拟信号处理器(ASP)及A/D变换器，转换成相应的数字图像信号输出。
行选通单元扫描方式：逐行扫描和隔行扫描。
隔行扫描可以提高图像的场频，但会降低图像的清晰度。
行选通逻辑单元和列选通逻辑单元配合，可以实现图像的窗口提取功能，读出感兴趣窗口内像元的图像信息。
2、CMOS摄像器件的总体结构
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MOS 摄像器件的工作原理：
ΦY1 ΦY2
信号输出
Y
移
位
寄
存
器
X 移位寄存器
ΦX1
φX2
RL
E
MOS开关
光电二极管
A/D
数字信号输出
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3、CMOS与CCD器件的比较
CCD摄像器件
灵敏度高、噪声低、像素面积小
难与驱动电路及信号处理电路单片集成，需要使用相对高的工作电压，制造成本比较高
CMOS摄像器件
集成能力强、体积小、工作电压单一、功耗低、动态范围宽、抗辐射和制造成本低
需进一步提高器件的信噪比和灵敏度
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CMOS与CCD器件的对比
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