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? ?? 大家好，我是白金復(fù)印機(jī)，今天這期專欄就來和大家聊聊新手必備的攝影知識(shí)——什么是CMOS 吧！

? ? ? CMOS，又叫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(dòng)器、列驅(qū)動(dòng)器、時(shí)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。

基本介紹

? ? ? ?在CMOS圖像傳感器芯片上還可以集成其他數(shù)字信號(hào)處理電路，如AD轉(zhuǎn)換器、自動(dòng)曝光量控制、非均勻補(bǔ)償、白平衡處理、黑電平控制、伽瑪校正等，為了進(jìn)行快速計(jì)算甚至可以將具有可編程功能的DSP器件與CMOS器件集成在一起，從而組成單片數(shù)字相機(jī)及圖像處理系統(tǒng)。

? ? ? ? 1963年Morrison發(fā)表了可計(jì)算傳感器，這是一種可以利用光導(dǎo)效應(yīng)測(cè)定光斑位置的結(jié)構(gòu)，成為CMOS圖像傳感器發(fā)展的開端。

? ? ? ? ?1995年低噪聲的CMOS有源像素傳感器單片數(shù)字相機(jī)獲得成功。

? ? ? ? CMOS圖像傳感器具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

? ? ? ? 1）隨機(jī)窗口讀取能力。隨機(jī)窗口讀取操作是CMOS圖像傳感器在功能上優(yōu)于CCD的一個(gè)方面，也稱之為感興趣區(qū)域選取。此外，CMOS圖像傳感器的高集成特性使其很容易實(shí)現(xiàn)同時(shí)開多個(gè)跟蹤窗口的功能。

? ? ? ? ?2）抗輻射能力?？偟膩碚f，CMOS圖像傳感器潛在的抗輻射性能相對(duì)于CCD性能有重要增強(qiáng)。

? ? ? ? ?3）系統(tǒng)復(fù)雜程度和可靠性。采用CMOS圖像傳感器可以大大地簡化系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)。

? ? ? ? ?4）非破壞性數(shù)據(jù)讀出方式。

? ? ? ? ?5）優(yōu)化的曝光控制。值得注意的是，由于在像元結(jié)構(gòu)中集成了多個(gè)功能晶體管的原因，CMOS圖像傳感器也存在著若干缺點(diǎn)，主要是噪聲和填充率兩個(gè)指標(biāo)。鑒于CMOS圖像傳感器相對(duì)優(yōu)越的性能，使得CMOS圖像傳感器在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

基本原理

? ? ? ? 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(hào)通過各自所在列的信號(hào)總線傳輸?shù)綄?duì)應(yīng)的模擬信號(hào)處理單元以及A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像信號(hào)輸出。其中的行選擇邏輯單元可以對(duì)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(shí)現(xiàn)圖像的窗口提取功能。模擬信號(hào)處理單元的主要功能是對(duì)信號(hào)進(jìn)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(shí)用攝像頭，芯片中必須包含各種控制電路，如曝光時(shí)間控制、自動(dòng)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(dòng)作，必須使用多個(gè)時(shí)序控制信號(hào)。為了便于攝像頭的應(yīng)用，還要求該芯片能輸出一些時(shí)序信號(hào)，如同步信號(hào)、行起始信號(hào)、場(chǎng)起始信號(hào)等。?

? ? ? ? 像素陣列工作原理

? ? ? ? ?圖像傳感器一個(gè)直觀的性能指標(biāo)就是對(duì)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(biāo)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(duì)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(diǎn)，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(diǎn)。

? ? ? ? ?(1)首先進(jìn)入“復(fù)位狀態(tài)”,此時(shí)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(jìn)入“取樣狀態(tài)”.這時(shí)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(gè)固定時(shí)間間隔后，電容C上存留的電荷量就與光照成正比例，這時(shí)就將一幅圖像攝入到了敏感元件陣列之中了;

? ? ? ? ?(3)最后進(jìn)入“讀出狀態(tài)”.這時(shí)再打開門管M,逐個(gè)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(gè)顯著的缺點(diǎn)。一是，它的讀出噪聲比較大，其典型值為20個(gè)電子，而商業(yè)用的CCD級(jí)技術(shù)芯片其讀出噪聲典型值為20個(gè)電子。二，隨著像素個(gè)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(hào)質(zhì)量比以前有許多提高，讀出噪聲一般為75~100個(gè)電子，此種結(jié)構(gòu)的C3&適合于中低檔的應(yīng)用場(chǎng)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(gè)電子。但它的工藝比較復(fù)雜，嚴(yán)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(duì)藍(lán)光更是如此。就目前看來，其整體性能優(yōu)勢(shì)并不十分突出。

影響性能因素

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(gè)不同的像素上產(chǎn)生的輸出信號(hào)不完全相同。噪聲正是這樣被引入的。對(duì)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(diǎn)像在設(shè)計(jì)模擬放大器時(shí)引入差分對(duì)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(hào)，暫存然后對(duì)像素單元進(jìn)行復(fù)位，再讀取此像素單元地輸出信號(hào)。兩者相減得出圖像信號(hào)。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(shí)存儲(chǔ)單元，隨著像素的增加，存儲(chǔ)單元也要增加。

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(huì)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(jìn)行區(qū)分。暗電流在像素陣列各處也不完全相同，它會(huì)導(dǎo)致固定圖形噪聲。對(duì)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(shí)間成正比。暗電流的產(chǎn)生也是一個(gè)隨機(jī)過程，它是散彈噪聲的一個(gè)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(dāng)長時(shí)間的積分單元被采用時(shí)，這種類型的噪聲就變成了影響圖像信號(hào)質(zhì)量的主要因素，對(duì)于昏暗物體，長時(shí)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(shí)間。

? ? ? ? 為減少暗電流對(duì)圖像信號(hào)的影響，首先可以采取降溫手段。但是，僅對(duì)芯片降溫是遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(hào)中減去參考暗電流信號(hào)。

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(gè)輸入上限，對(duì)于CMOS圖像傳感芯片來說，它也有一個(gè)輸入的上限。輸入光信號(hào)若超過此上限，像素單元將飽和而不能進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換。對(duì)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(duì)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(hào)飽和時(shí)，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(jìn)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(dòng)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(shí)還原出圖像了。

? ? ? 好了，本期專欄到這里就結(jié)束了，如果對(duì)大家有幫助的話，可以點(diǎn)個(gè)免費(fèi)的贊支持一下UP主，我是白金復(fù)印機(jī)，我們下期再見！