CMOS Image Sensors Explained and Micron sensor Introduction

中国CMOS图像传感器行业研究-行业发展概况

中国CMOS图像传感器行业研究-行业发展概况 (一)行业发展概况 1、集成电路行业 2010年以来,以智能手机、平板电脑为代表的新兴消费电子市场的兴起,以及汽车电子、工业控制、仪器仪表、智能照明、智能家居等物联网市场的快速发展,带动整个半导体行业规模迅速增长。2017年,全球半导体行业整体销售额达到4,122亿美元,同比增长21.63%,增速创七年来新高。 数据来源:全球半导体贸易协会(WSTS)

根据全球半导体贸易协会(WSTS)预测,2018年全球半导体市场规模将达到4,512亿美元,同比增长9.5%。 数据来源:全球半导体贸易协会(WSTS)

2、CMOS图像传感器行业 (1)图像传感器行业概况 图像传感器为物联网感知层众多传感器中最重要的一种核心传感器。图像传感器主要采用感光单元阵列和辅助控制电路获取对象景物的亮度和色彩信号,并通过复杂的信号处理和图像处理技术输出数字化的图像信息。图像传感器中的感光单元一般采用感光二极管(Photodiode)实现光电信号的转换。感光二极管在接受光线照射之后能够产生电流信号,电流的强度与光照的强度成正比例关系。每个感光单元对应图像传感器中的一个像元,像元也被称为像素单元(Pixel)。 图像传感器主要分为CCD图像传感器和CMOS图像传感器两大类。CCD和CMOS 都是利用感光二极管进行光电转换,将图像转换为数字信号,但二者在感光二极管的周边信号处理电路和感光单元产生的电信号的处理方式不同。 CCD和CMOS的感光元件在接受光照之后直接输出的电信号都是模拟信号。在CCD传感器中,每一个感光元件都不对此作进一步的处理,而是将它直接输出到下一个感光元件的存储单元,结合该元件生成的模拟信号后再输出给第三个感光元件,依次类推,直到结合最后一个感光元件的信号才能形成统一的输出。由于感光元件生成的电信号非常微弱,无法直接进行模数转换工作,因此这些输出数据必须做统一的放大处理。由于CCD本身无法将模拟信号直接转换为数字信号,因此还需要一个专门的模数转换芯片进行处理,最终以数字图像矩阵的形式输出给专门的图像处

CMOS图像传感器的研究进展_李继军.

. net 光学制造 1内蒙古工业大学理学院, 内蒙古呼和浩特 0100512北京师范大学遥感与 GIS 研究中心遥感科学国家重点实验室, 北京 10087! " 5 Li Jijun 1 Du Yungang 1Zhang Lihua 1, 2 Liu Quanlong 1Chen Jianrui 1 1School of Science, Inner Mongolia University of Technology , Hohhot, Inner Mongolia 010051, China, 2State Key Laboratory of Remote Sensing Science, Research Center of Remote Sensing &GIS, Beijing Normal University ,Beijing 100875, China #$$$$$$$$$$$% &’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ( 摘要 20世纪 90年代以来, 随着超大规模集成 (VLSI 技术的发展, CMOS 图像传感器显示出强劲的发展势头。简要介绍了 CMOS 图像传感器的结构及工作原理, 详细比较了 CMOS 图像传感器与 CCD 的性能特点, 讨论了 CMOS 图像传感器的关键技术问题,并给出了相应的解决途径,综述了 CMOS 图像传感器的国内外研 究现状, 最后对 CMOS 图像传感器的发展趋势进行了展望。 关键词光电子学; 传感器; CMOS 图像传感器; CCD ; 关键技术问题 Abstract

Since the 1990s, with the development of very large scale integration (VLSI,CMOS image sensors have been developed rapidly. The structure and working principle of CMOS image sensors are introduced. The performances between CMOS image sensor and CCD are compared in detail. The key technical problems of CMOS image sensors are discussed, and the related solving ways are given. The development situation of CMOS image sensors at home and abroad is reviewed, and the development trends of CMOS image sensors are prospected. Key words optoelectronics; sensor; CMOS image sensor; CCD; key technical problem 中图分类号 O436 doi :10.3788/LOP20094604.0045 1引言 CMOS 图像传感器的研究始于 20世纪 60年代末, 受当时工艺技术的限制, 发展和应用有限。直到 20世纪 90年代初,随着大规模集成电路设计技术和信号处理技术的提高, CMOS 图像传感器才日益受到重视 [1~3], 成为固体图像传感器的研发热点。近几年来, 随着集成电路设计技术和工艺水平的长足进步 , CMOS 图像传感器的一些性能指标已接近甚至超过CCD 图像传感器 [4~6]。 本文简要介绍了 CMOS 图像传感器的结构及工作原理,详细比较了 CMOS 图像传感器与 CCD 的性 能特点,讨论了 CMOS 图像传感器的关键技术问题, 并给出了相应的解决途径, 综述了 CMOS 图像传感器的国内外研究现状, 最后对 CMOS 图像传感器的发展趋势进行了展望。 2结构及工作原理 CMOS 图像传感器的总体结构如图 1所示

数字图像处理

数字图像处理(MATLAB版) 实验指导书 (试用版) 本实验指导书配合教材和课堂笔记中的例题使用 姚天曙编写 安徽农业大学工学院 2009年4月试行

目录 实验一、数字图像获取和格式转换 2 实验二、图像亮度变换和空间滤波 6 实验三、频域处理7 实验四、图像复原9 实验五、彩色图像处理10 实验六、图像压缩11 实验七、图像分割13 教材与参考文献14

《数字图像处理》实验指导书 实验一、数字图像获取和格式转换 一、实验目的 1掌握使用扫描仪、数码相机、数码摄像级机、电脑摄像头等数字化设备以及计算机获取数字图像的方法; 2修改图像的存储格式;并比较不同压缩格式图像的数据量的大小。 二、实验原理 数字图像获取设备的主要性能指标有x、y方向的分辨率、色彩分辨率(色彩位数)、扫描幅面和接口方式等。各类设备都标明了它的光学分辨率和最大分辨率。分辨率的单位是dpi,dpi是英文Dot Per Inch的缩写,意思是每英寸的像素点数。 扫描仪扫描图像的步骤是:首先将欲扫描的原稿正面朝下铺在扫描仪的玻璃板上,原稿可以是文字稿件或者图纸照片;然后启动扫描仪驱动程序后,安装在扫描仪内部的可移动光源开始扫描原稿。为了均匀照亮稿件,扫描仪光源为长条形,并沿y方向扫过整个原稿;照射到原稿上的光线经反射后穿过一个很窄的缝隙,形成沿x方向的光带,又经过一组反光镜,由光学透镜聚焦并进入分光镜,经过棱镜和红绿蓝三色滤色镜得到的RGB三条彩色光带分别照到各自的CCD上,CCD将RGB光带转变为模拟电子信号,此信号又被A/D变换器转变为数字电子信号。至此,反映原稿图像的光信号转变为计算机能够接受的二进制数字电子信号,最后通过串行或者并行等接口送至计算机。扫描仪每扫一行就得到原稿x方向一行的图像信息,随着沿y方向的移动,在计算机内部逐步形成原稿的全图。扫描仪工作原理见图1.1。

CMOS图像传感器的基本原理及设计考虑.

CMOS图像传感器的基本原理及设计考虑 摘要:介绍CMOS图像传感器的基本原理、潜在优点、设计方法以及设计考虑。 关键词:互补型金属-氧化物-半导体图像传感器;无源像素传感器;有源像素传感器 1引言 20世纪70年代,CCD图像传感器和CMOS图像传感器同时起步。CCD图像传感器由于灵敏度高、噪声低,逐步成为图像传感器的主流。但由于工艺上的原因,敏感元件和信号处理电路不能集成在同一芯片上,造成由CCD图像传感器组装的摄像机体积大、功耗大。CMOS图像传感器以其体积小、功耗低在图像传感器市场上独树一帜。但最初市场上的CMOS图像传感器,一直没有摆脱光照灵敏度低和图像分辨率低的缺点,图像质量还无法与CCD图像传感器相比。 如果把CMOS图像传感器的光照灵敏度再提高5倍~10倍,把噪声进一步降低,CMOS 图像传感器的图像质量就可以达到或略微超过CCD图像传感器的水平,同时能保持体积小、重量轻、功耗低、集成度高、价位低等优点,如此,CMOS图像传感器取代CCD图像传感器就会成为事实。 由于CMOS图像传感器的应用,新一代图像系统的开发研制得到了极大的发展,并且随着经济规模的形成,其生产成本也得到降低。现在,CMOS图像传感器的画面质量也能与CCD图像传感器相媲美,这主要归功于图像传感器芯片设计的改进,以及亚微米和深亚微米级设计增加了像素内部的新功能。 实际上,更确切地说,CMOS图像传感器应当是一个图像系统。一个典型的CMOS图像传感器通常包含:一个图像传感器核心(是将离散信号电平多路传输到一个单一的输出,这与CCD图像传感器很相似),所有的时序逻辑、单一时钟及芯片内的可编程功能,比如增益调节、积分时间、窗口和模数转换器。事实上,当一位设计者购买了CMOS图像传感器后,他得到的是一个包括图像阵列逻辑寄存器、存储器、定时脉冲发生器和转换器在内的全部系统。与传统的CCD图像系统相比,把整个图像系统集成在一块芯片上不仅降低了功耗,而且具有重量较轻,占用空间减少以及总体价格更低的优点。 2基本原理 从某一方面来说,CMOS图像传感器在每个像素位置内都有一个放大器,这就使其

CMOS图像传感器的性能

CMOS图像传感器的性能 2.2.1光电转换的原理和性能 当光子入射到半导体材料中,光子被吸收而激发产生电子–空穴对,称为光生载流子,如图2.3(a)所示。量子效率(Quantum Efficiency,QE)被定义为产生光生载流子的光子数占总入射光子数的百分比;或者被定义为η,即每个入射光子激发出来的光生载流子数。 式中,N e为被激发出来的电子数;N v为入射的光子数。不同的半导体材料对入射光的响应随其波长而变化,对于硅材料而言波长覆盖整个可见光范围,截止在 约1.12μm的近红外波长,如图2.3(b)所示。 (a)(b) 图2.3硅半导体材料的光照响应 光电信号的噪声水平决定了能检测到的最小光功率,即光电转换的灵敏度。硅光电传感器的噪声构成包括: ●来源于信号和背景的散粒噪声(shot noise);

●闪烁噪声(flicker noise),即1/f噪声; ●来源于电荷载流子热扰动的热噪声(thermal noise)。 噪声特性用噪声等效功率NEP(Noise Equivalent Power)表达,信号功 率和噪声等效功率的比值,被称为信噪比(Signal Noise Ratio,SNR),是描述传感器性能的重要参数之一。 当入射光子照射在半导体材料的PN结上,如图2.4(a)所示,如果在PN 结上施加电压使光生载流子形成电流,产生如图2.4(b)所示的I-V特性曲线。曲线上V>0的正向偏置一段被称为太阳能电池模式;PN结反向偏置V<0的平直一段曲线,被称为光电二极管模式;I-V特性的反向击穿段被称为雪崩模式。通常在图像传感器中,光电转换元件工作在光电二极管模式,如图2.3(c)所 示。图2.3中PN结的反向电流I leak为 I leak=I ph+I diff (a)(b) 图2.4PN结光电二极管示意图

数字图像处理DCT

基于DCT图像压缩技术研究及仿真 题目:基于DCT的图像压缩技术研究与仿真实现 院系名称:国际学院 专业班级:电子信息工程技术07级03班 学生姓名:梁岑学号:20073930304 指导教师:朱春华教师职称:讲师2010

摘要 离散余弦变换(Discrete Cosine Transform,简称DCT)常被认为是对语音和图像信号进行变换的最佳方法。为了工程上实现的需要,国内外许多学者花费了很大精力去寻找或改进DCT的快速算法。由于近年来DSP的发展,加上专用集成电路设计上的优势,这就牢固地确立DCT在目前图像编码中的重要地位,成为H.261、JPEG、MPEG等国际上公用的编码标准的重要环节。MATLAB是由美国Math-Works公司推出的用于数值计算和图形处理的科学计算软件,它集数值分析、矩阵计算、信号处理和图形显示多种功能于一体,构成了一个方便的界面友好的用户环境。MATLAB中的图像处理工具箱是许多基于MATLAB技术计算环境的函数包的集合,图形功能完备。 本文主要讨论了DCT变换方法,并讨论了应用MATLAB中的图像处理工具箱中的相关函数和命令,利用C语言来实现离散余弦变换的图像压缩算法的仿真。 关键词:离散余弦变换(简称DCT);MATLAB;VC6.0,DCT变换方法;图像处理; 图像压缩;仿真

目录 1 绪论 (6) 2 图像压缩基本原理及模型 (8) 2.1图像压缩基本原理 (8) 2.1.1图像压缩的基本思想 (8) 2.1.2图像压缩的方法 (8) 2.2图像压缩系统流程图 (9) 2.3分析图像压缩的主要模块 (10) 2.3.1色度空间转换 (10) 2.3.2离散余弦变换 (10) 2.3.3量化编码 (11) 2.3.4“Z”字型扫描 (12) 2.3.5编码及解码 (12) 2.4图像数据压缩的目 (13) 2.5图像压缩的基本模型 (15) 3 离散余弦变换的C语言及MATLAB混合仿真 (16) 3.1离散余弦变换(DCT) (16) 3.2M ATLAB的功能 (17) 3.3离散余弦变换的M ATLAB仿真 (18) 结论 (23) 附录 (22)

CMOS图像传感器的工作原理及研究

CMOS图像传感器的工作原理及研究 摘要:介绍了CMOS图像传感器的工作原理,比较了CCD图像传感器与CMOS图像传感器的优缺点,指出了CMOS图像传感器的技术问题和解决途径,综述了CMOS图像传感器的现状和发展趋势。 1 引言 自从上世纪60年代末期,美国贝尔实验室提出固态成像器件概念后,固体图像传感器便得到了迅速发展,成为传感技术中的一个重要分支,它是PC机多媒体不可缺少的外设,也是监控中的核心器件。互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器与电荷耦合器件(CCD)图像传感器的研究几乎是同时起步,但由于受当时工艺水平的限制,CMOS图像传感器图像质量差、分辨率低、噪声降不下来和光照灵敏度不够,因而没有得到重视和发展。而CCD 器件因为有光照灵敏度高、噪音低、像素少等优点一直主宰着图像传感器市场。由于集成电路设计技术和工艺水平的提高,CMOS图像传感器过去存在的缺点,现在都可以找到办法克服,而且它固有的优点更是CCD器件所无法比拟的,因而它再次成为研究的热点。 70年代初CMOS传感器在NASA的Jet Pro pul sion Laboratory(JPL)制造成功,80年代末,英国爱丁堡大学成功试制出了世界第一块单片CMOS型图像传感器件,1995年像元数为(128×128)的高性能CMOS有源像素图像传感器由喷气推进实验室首先研制成功[1],1997年英国爱丁堡VLSI Ver sion公司首次实现了CMOS图像传感器的商品化,就在这一年,实用CMOS技术的特征尺寸已达到0.35mm,东芝研制成功了光敏二极管型APS,其像元尺寸为5.6mm×5.6mm,具有彩色滤色膜和微透镜阵列,2000年日本东芝公司和美国斯坦福大学采用0.35mm技术开发的CMOS-APS已成为开发超微型CMOS摄像机的主流产品。 2 技术原理 CCD型和CMOS型固态图像传感器在光检测方面都利用了硅的光电效应原理,不同点在于像素光生电荷的读出方式。CMOS图像传感器芯片的结构 [2]如图1所示。典型的CMOS像素阵列[3],是一个二维可编址传感器阵列。传感器的每一列与一个位线相连,行允许线允许所选择的行内每一个敏感单元输出信号送入它所对应的位线上(图2),位线末端是多路选择器,按照各列独立的列编址进行选择。根据像素的不同结构[4],CMOS图像传感器可以分为无源像素被动式传感器(PPS)和有源像素主动式传感器(APS)。根据光生电荷的不同产生方式APS又分为光敏二极管型、光栅型和对数响应型,现在又提出了DPS(digital pixel sensor)概念。

最新数字图像处理(基础)教案

数字图像处理(基础)教案 一、基础知识 第一节、数字图像获取 一、目的 1掌握使用扫描仪等数字化设备以及计算机获取数字图像的方法; 2修改图像的存储格式。 二、原理 用扫描仪获取图像也是图像的数字化过程的方法之一。 扫描仪按种类可以分为手持扫描仪,台式扫描仪和滚筒式扫描仪(鼓形扫描仪)。 扫描仪的主要性能指标有x、y方向的分辨率、色彩分辨率(色彩位数)、扫描幅面和接口方式等。各类扫描仪都标明了它的光学分辨率和最大分辨率。分辨率的单位是dpi,dpi是英文Dot Per Inch的缩写,意思是每英寸的像素点数。 扫描仪工作时,首先由光源将光线照在欲输入的图稿上,产生表示图像特征的反射光(反射稿)或透射光(透射稿)。光学系统采集这些光线,将其聚焦在CCD上,由CCD将光信号转换为电信号,然后由电路部分对这些信号进行A/D转换及处理,产生对应的数字信号输送给计算机。当机械传动机构在控制电路的控制下,带动装有光学系统和CCD的扫描头与图稿进行相对运动,将图稿全部扫描一遍,一幅完整的图像就输入到计算机中去了。

图1.1扫描仪的工作原理 扫描仪扫描图像的步骤是:首先将欲扫描的原稿正面朝下铺在扫描仪的玻璃板上,原稿可以是文字稿件或者图纸照片;然后启动扫描仪驱动程序后,安装在扫描仪内部的可移动光源开始扫描原稿。为了均匀照亮稿件,扫描仪光源为长条形,并沿y方向扫过整个原稿;照射到原稿上的光线经反射后穿过一个很窄的缝隙,形成沿x方向的光带,又经过一组反光镜,由光学透镜聚焦并进入分光镜,经过棱镜和红绿蓝三色滤色镜得到的RGB三条彩色光带分别照到各自的CCD上,CCD将RGB光带转变为模拟电子信号,此信号又被A/D变换器转变为数字电子信号。至此,反映原稿图像的光信号转变为计算机能够接受的二进制数字电子信号,最后通过串行或者并行等接口送至计算机。扫描仪每扫一行就得到原稿x方向一行的图像信息,随着沿y方向的移动,在计算机内部逐步形成原稿的全图。 在扫描仪的工作过程中,有两个元件起到了关键的作用。一个是CCD,它将光信号转换成为电信号;另一个是A/D变换器,它将模拟电信号变为数字电信号。CCD是Charge Couple Device的缩写,称为电荷耦合器件,它是利用微电子技术制成的表面光电器件,可以实现光电转换功能。CCD 在摄像机、数码相机和扫描仪中应用广泛,只不过摄像机中使用的是点阵CCD,即包括x、y两个方向用于摄取平面图像,而扫描仪中使用的是线性CCD,它只有x一个方向,y方向扫描由扫描仪的机械装置来完成。CCD芯片上有许多光敏单元,它们可以将不同的光线转换成不同的电荷,从而形成对应原稿光图像的电荷图像。如果我们想增加图像的分辨率,就必须增加CCD上的光敏单元数量。实际上,CCD的性能决定了扫描仪的x方向的光学分辨率。A/D变换器是将模拟量(Analog)转变为数字量(Digital)的半导体元件。从CCD获取的电信号是对应于图像明暗的模拟信号,就是说图像由暗到亮的变化可以用从低到高的不同电平来表示,它们是连续变化的,即所谓模拟量。A/D变换器的工作是将模拟量数字化,例如将0至1V的线性电压变化表示为0至9的10个等级的方法是:0至小于0.1V 的所有电压都变换为数字0、0.1至小于0.2V的所有电压都变换为数字1……0.9至小于1.0V的所有电压都变换为数字9。实际上,A/D变换器能够表示的范围远远大于10,通常是2^8=256、2^10=1024或者2^12=4096。如果扫描仪说明书上标明的灰度等级是10bit,则说明这个扫描仪能够将图像分成1024个灰度等级,如果标明色彩深度为30bit,则说明红、绿、蓝各个通道都有1024个等级。显然,该等级数越高,表现的彩色越丰富。 步骤

数字图像处理

数字图像处理的理论基础及发展方向 一、数字图像处理的起源及发展 数字图像处理(Digital Image Processing) 将图像信号转换成数字信号并利用计算机对其进行处理,起源于20 世纪20年代,目前已广泛地应用于科学研究、工农业生产、生物医学工程、航空航天、军事、工业检测、机器人视觉、公安司法、军事制导、文化艺术等,已成为一门引人注目、前景远大的新型学科,发挥着越来越大的作用。数字图像处理作为一门学科形成于20 世纪60 年代初期,早期的图像处理的目的是改善图像的质量,以人为对象,以改善人的视觉效果为目的,首次获得实际成功应用的是美国喷气推进实验室(J PL)并对航天探测器徘徊者7 号在1964 年发回的几千张月球照片使用了图 像处理技术,并考虑了太阳位置和月球环境的影响,由计算机成功地绘制出月球表面地图,随后又对探测飞船发回的近十万张照片进行了更为复杂的图像处理,以致获得了月球的地形图、彩色图及全景镶嵌图,为人类登月创举奠定了坚实的基础,也推动了数字图像处理这门学科的诞生。数字图像处理取得的另一个巨大成就是在医学上获得的成果,1972 年英国EMI 公司工程师Ho usfield 发明了用于头颅诊断的X射线计算机断层摄影装置即CT(Computer Tomograph) 。1975 年EMI 公司又成功研制出全身用的CT 装置,获得了人体各个部位鲜明清晰的断层图像。 1979 年这项无损伤诊断技术获得了诺贝尔奖,说明它对人类作出了划时代的贡献。随着图像处理技术的深

入发展,从70 年代中期开始,随着计算机技术和人工智能、思维科学研究的迅速发展,数字图像处理向更高、更深层次发展。人们已开始研究如何用计算机系统解释图像,实现类似人类视觉系统理解外部世界。很多国家,特别是发达国家投入更多的人力、物力到这项研究,取得了不少重要的研究成果。其中代表性的成果是70 年代末MIT 的Ma rr 提出的视觉计算理论,这个理论成为计算机视觉领域其后多年的主导思想。图像理解虽然在理论方法研究上已取得不小的进展,但它本身是一个比较难的研究领域,存在不少困难,因人类本身对自己的视觉过程还了解甚少,因此计算机视觉是一个有待人们进一步探索的新领域。正因为如此,图像处理理论和技术受到各界的广泛重视,当前图像处理面临的主要任务是研究新的处理方法,构造新的处理系统,开拓更广泛的应用领域。 二、数字图像处理的研究内容 数字图象处理,就是采用计算机对图象进行信息加工。图象处理的主要内容有:图像的采集、增强、复原、变换、编码、重建、分割、配准、嵌拼、融合、特征提取、模式识别和图象理解。 对图像进行处理(或加工、分析)的主要目的有三个方面: 1)提高图像的视感质量,如进行图像的亮度、彩色变换,增强、抑制某些成分,对图像进行几何变换等,以改善图像的质量。 2)提取图像中所包含的某些特征或特殊信息,这些被提取的特征或信息往往为计算机分析图像提供便利。提取特征或信息的过程是模式识别或计算机视觉的预处理。提取的特征可以包括很多方面,如频

CMOS图像传感器的基本原理及设计

CMOS图像传感器的基本原理及设计考虑 1、引言 20世纪70年代,CCD图像传感器和CMOS图像传感器同时起步。CCD图像传感器由于灵敏度高、噪声低,逐步成为图像传感器的主流。但由于工艺上的原因,敏感元件和信号处理电路不能集成在同一芯片上,造成由CCD图像传感器组装的摄像机体积大、功耗大。CMOS图像传感器以其体积小、功耗低在图像传感器市场上独树一帜。但最初市场上的CMOS图像传感器,一直没有摆脱光照灵敏度低和图像分辨率低的缺点,图像质量还无法与CCD图像传感器相比。 如果把CMOS图像传感器的光照灵敏度再提高5倍~10倍,把噪声进一步降低,CMOS图像传感器的图像质量就可以达到或略微超过C CD图像传感器的水平,同时能保持体积小、重量轻、功耗低、集成度高、价位低等优点,如此,CMOS图像传感器取代CCD图像传感器就会成为事实。 由于CMOS图像传感器的应用,新一代图像系统的开发研制得到了极大的发展,并且随着经济规模的形成,其生产成本也得到降低。现在,CMOS图像传感器的画面质量也能与CCD图像传感器相媲美,这

主要归功于图像传感器芯片设计的改进,以及亚微米和深亚微米级设计增加了像素内部的新功能。 实际上,更确切地说,CMOS图像传感器应当是一个图像系统。一个典型的CMOS图像传感器通常包含:一个图像传感器核心(是将离散信号电平多路传输到一个单一的输出,这与CCD图像传感器很相似),所有的时序逻辑、单一时钟及芯片内的可编程功能,比如增益调节、积分时间、窗口和模数转换器。事实上,当一位设计者购买了CM OS图像传感器后,他得到的是一个包括图像阵列逻辑寄存器、存储器、定时脉冲发生器和转换器在内的全部系统。与传统的CCD图像系统相比,把整个图像系统集成在一块芯片上不仅降低了功耗,而且具有重量较轻,占用空间减少以及总体价格更低的优点。 2、基本原理 从某一方面来说,CMOS图像传感器在每个像素位置内都有一个放大器,这就使其能在很低的带宽情况下把离散的电荷信号包转换成电压输出,而且也仅需要在帧速率下进行重置。CMOS图像传感器的优点之一就是它具有低的带宽,并增加了信噪比。由于制造工艺的限制,早先的CMOS图像传感器无法将放大器放在像素位置以内。这种被称为PPS的技术,噪声性能很不理想,而且还引来对CMOS图像传感器的种种干扰。

《数字图像处理》课后作业2015

《数字图像处理》课后作业(2015) 第2章 2.5 一个14mm?14mm的CCD摄像机成像芯片有2048?2048个像素,将它聚焦到相距0.5m远的一个方形平坦区域。该摄像机每毫米能分辨多少线对?摄像机配备了一个35mm镜头。(提示:成像处理模型见教材图2.3,但使用摄像机镜头的焦距替代眼睛的焦距。) 2.10 高清电视(HDTV, High Definition TV )使用1080条水平电视线(TV Line)隔行扫描来产生图像(每隔一行在显像管表面画出一条水平线,每两场形成一帧,每场用时1/60秒,此种扫描方式称为1080i,即1080 interlace scan;对应的有1080p,即1080 progressive scan,逐行扫描)。图像的宽高比是16:9。水平电视线数(水平行数)决定了图像的垂直分辨率,即一幅图像从上到下由多少条水平线组成;相应的水平分辨率则定义为一幅图像从左到右由多少条垂直线组成,水平分辨率通常正比于图像的宽高比。一家公司已经设计了一种图像获取系统,该系统由HDTV图像生成数字图像,彩色图像的每个像素都有24比特的灰度分辨率(红、绿、蓝分量各8比特)。请计算不压缩时存储90分钟的一部HDTV电影所需要的存储容量。 2.22 图像相减常用于在产品装配线上检测缺失的元件。方法是事先存储一幅对应于正确装配的产品图像,称为“金”图像(“golden” image),即模板图像。然后,在同类型产品的装配过程中,采集每一装配后的产品图像,从中减去上述模板图像。理想情况下,如果产品装配正确,则两幅图像的差值应为零。而对于缺失元件的产品,其图像与模板图像在缺失元件区域不同,两幅图像的差值在这些区域就不为零。在实际应用中,您认为需要满足哪些条件这种方法才可行? 第3章 3.5 在位平面分层中, (a)如果将低阶位平面的一半设为零值,对一幅图像的直方图大体上有何影响? (b)如果将高阶位平面的一半设为零值,对一幅图像的直方图又有何影响? 3.6 试解释为什么离散直方图均衡化技术一般不能得到平坦的输出直方图。 3.14 右图所示的两幅图像差异很大,但它们的直方图却相同。假设每幅图像都用一个3×3的均值滤波模板进行模糊处理,那么: (a)模糊后的两幅图像的直方图还相同吗?试解释原因。 (b)如果您认为模糊后的两幅图像的直方图不相同,请画出这两幅 图像的直方图。

CMOS图像传感器的工作原理

CMOS图像传感器的工作原理 1引言 图像传感器是将光信号转换为电信号的装置,在数字电视、可视通信市场中有着广泛的应用。60年代末期,美国贝尔实脸室发现电荷通过半导体势阱发生转移的现象,提出了固态成像这一新概念和一维CCD(Charge-Coupled Device 电荷耦合器件)模型器件。到90年代初,CCD技术已比较成热,得到非常广泛的应用。但是随着CCD应用范围的扩大,其缺点逐渐暴露出来。首先,CCD技术芯片技术工艺复杂,不能与标准工艺兼容。其次,CCD技术芯片需要的电压功耗大,因此CCD技术芯片价格昂贵且使用不便。目前,最引人注目,最有发展潜力的是采用标准的CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor 互补金属氧化物场效应管)技术来生产图像传感器,即CMOS图像传感器。CMOS图像传感器芯片采用了CMOS工艺,可将图像采集单元和信号处理单元集成到同一块芯片上。由于具有上述特点,它适合大规模批量生产,适用于要求小尺寸、低价格、摄像质量无过高要求的应用,如保安用小型、微型相机、手机、计算机网络视频会议系统、无线手持式视频会议系统、条形码扫描器、传真机、玩具、生物显微计数、某些车用摄像系统等大量商用领域。20世纪80年代,英国爱丁堡大学成功地制造出了世界上第一块单片CMOS图像传感器件。目前,CMOS图像传感器正在得到广泛的应用,具有很强地市场竞争力和广阔地发展前景。 2 CMOS图像传感器基本工作原理

右图为CMOS图像传感器的功能框图。 首先,外界光照射像素阵列,发生光电效应,在像素单元内产生相应的电荷。行选择逻辑单元根据需要,选通相应的行像素单元。行像素单元内的图像信号通过各自所在列的信号总线传输到对应的模拟信号处理单元以及A/D转换器,转换成数字图像信号输出。其中的行选择逻辑单元可以对像素阵列逐行扫描也可隔行扫描。行选择逻辑单元与列选择逻辑单元配合使用可以实现图像的窗口提取功能。模拟信号处理单元的主要功能是对信号进行放大处理,并且提高信噪比。另外,为了获得质量合格的实用摄像头,芯片中必须包含各种控制电路,如曝光时间控制、自动增益控制等。为了使芯片中各部分电路按规定的节拍动作,必须使用多个时序控制信号。为了便于摄像头的应用,还要求该芯片能输出一些时序信号,如同步信号、行起始信号、场起始信号等。 3象素阵列工作原理 图像传感器一个直观的性能指标就是对图像的复现的能力。而象素阵列就是直接关系到这一指标的关键的功能模块。按照像素阵列单元结构的不同,可以将

有源像素CMOS图像传感器

有源像素CMOS 图像传感器 图1示出了有源像素CMO 图像传感器(Active Sensor , APS)的功能结构图 其中成像部分为光极管阵列(Photo Diode Array) 图l 肓澤曜CMOE 弗車锋暮E 慚功能结码團 四场效应管(4T)有源像素CMO 图像传感器的每个像素由光敏二极管、复位管 T 。、转移管T1、源跟随器T 。和行选通开关管T 。组成,如图2所示[9]。 转移管T1,被用来将光敏二极管连接至源跟随器 T3。,并通过复位管T2与 VDD 相连.T3的栅极与T1和T2之间的N+扩散区相连。与3T 结构的APS 相比,减 少了与T3的栅极相关的漏电流效应。源跟随器 T3的作用是实现对信号的放大和缓 冲,改善APS 的噪声问题。T4是用来将信号与列总线相连。其工作过程是:首先进 入“复位状态”,T2打开,对光敏二极管复位;然后进入“取样状态”,T2关闭, 光照射到光敏二极管上产生光生载流子,并通过源跟随器 T3放大输出;最后进入 “读出状态”,这时行选通管 T4打开,信号通过列 总线输出。 CIS 图像传感器 IMAM LIMF 」 iryht r TT READOUT SlUUCTUftf TT. |fOL( MKAJKi /T± PHQ-TVUIUW KEfPfR , AK.A'*?. 匚AM 和 COKFROl JNRHpAfE I CXI, 一 rnMFM^r FAME , puftr Wi 」代Met T1MIMG R?X1 巾 UVlJMJtf

接触式图像传感器( CIS(Contact Image Sensor) 是90 年代新型图像传感 器。与电荷耦合器件(CCD相比.CIS的优点主要有a无须外加光源、光学透镜等辅助机构b具有尺寸小、重量轻、结构紧凑及便于安装c采用R a 3光源.系统功耗低d采用陶瓷基底.有良好的温度特性。 目前.已有部分传真机及多功能打印机(MFP采用了CIS。世界著名的扫描仪制造商Microtek 公司于1998年底推出了世界上第1台超 薄型平台扫描仪Simscan C3 ,.首次使用CIS。近年来美军及北约的军用传真机及MFP中,相当一部分采用了CIS,近些年来.国外有数家公司致力CIS的研制、生产或相关技术的研究工作。然而.目前CIS技术还不如CCD成熟.CIS的分辨率还不很高. 应用情况还不够理想,但可以预见. 随着CIS 技术的发展.CIS 必将有广阔的应用前景。 CIS的结构组成与原理 图1中给出了CIS头截面剖视图2如图所示.CIS头由LED光源阵列、微自聚焦棒状透镜阵列、光电传感器的阵列、保护玻璃、铝质壳体及聚光棱镜等组成。CIS头的内部组成框图如图2所示.该CIS头物理分辨率为203DPI(8 point/mm),有效扫描宽度为216mm其传感器单元及棒状聚焦透镜一一对应地排成线阵,共有1728个传感单元,可分别检测1728个像素点,VLED和GLEE为内LED阵列的电源和地。SCLK为CIS的扫描控制时钟;SI为启动扫描控制信号,A0为CIS的模拟输出端,工作时CIS 头与扫描文稿直接接触,来自CIS头内LED 阵列的光源经聚光棱镜后照射在扫描文稿上,其反射光经棒状聚焦透镜后照射在CIS头内的光电检测单元上。反射光线的强弱随扫描文稿上被扫描处的黑/白程度 变化。

数字图像处理论文文献综述

数字图像处理论文文献综述 文献综述 图像处理技术发展到今天,已经被应用到工程学、计算机科学、信息科学、统计学、物理学、化学、生物学、医学甚至社会科学等多个学科,并成为这些学科获取信息的重要来源及利用信息的重要手段,所以图像处理科学己经成为与国计民生紧密相连的一门应用科学。 图像处理技术研究的重点在于图像处理算法和系统结构,随着计算机、集成电路等技术的飞跃发展,图像处理技术在这两方面都取得了长足的发展。但随着图像信息数据量的增大,图像处理算法复杂度的提高,图像处理技术依然面临着许多挑战性的问题,具体可概括为图像处理的网络化、复杂问题的求解与处理速度的高速化,可以通过选择合适的图像处理平台以及恰当的图像处理算法来解决这些挑战性的问题。 图像处理技术最初是在采用高级语言编程在计算机上实现的,后来还在计算机中加入了图像处理器(GPU),协同计算机的CPU工作,以提高计算机的图形化处理能力。在大批量、小型化和低功耗的要求提出后,图像处理平台依次出现了基于VLSI技术的专用集成电路芯片((ASIC)和数字信号处理器((DSP),近年来,随着EDA技术的发展以及FPGA(Field-Programmable Gate Array,现场可编程门阵列)技术的提高,越来越多的厂家和科研机构将FPGA作为图像处理技术实现的主要平台,以提高图像处理系统的性能。 FPGA是在PAL, GAL, CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的,既解决了定制电路的不足,又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。FPGA采用了逻辑单元阵列LCA( Logic Cell Array)这样一个新概念,内部包括可配置逻辑模块CLB

CMOS图像传感器的基本结构

CMOS图像传感器的基本结构 2.1.1CMOS图像传感器的框图 一个典型的CMOS图像传感器结构如图2.1所示。这个结构包括由有源像素传感器(APS)构成的像素阵列、垂直扫描电路、每一列像素共享的列读出 通道和列选择开关、模拟图像信号放大器、模数转换器和图像数据输出等。控制器控制各个图像信息获取部件,进行所需要的曝光-读出同步操作。控制数据由外部通过串行数据输入端口输入,并存储在控制数据存储器中。 图2.1CMOS图像传感器结构框图 CMOS图像传感器的像素为有源像素传感器APS,每个像素中有一个光电二极管作为基本的光电转换元件,如图2.1左上角的方框所示。在每个像素中还包括由若干个MOS晶体管有源器件组成的电路,把光子在光电二极管PN结 上激发的载流子电荷信号转换成电压信号,并由模拟开关控制光电二极管的曝光操作和信号输出。在大多数阵列设计中,像素几何形状采取正方形,像素在阵列 中正交排列。像素阵列示意在图 2.1框图的中央,水平排列的像素构成行

(Row),每行由M个像素组成,垂直方向的像素构成列(Column),整个阵列由M列和N行像素构成,阵列的总像素数为M×N。 像素阵列的主要操作就是曝光和读出,因为阵列中一般的曝光和读出是按行进行的,所以垂直扫描实际上就是实现按行操作阵列的曝光和读出。水平扫描操作实际上是当某一行执行读出时,顺序扫描读出这一行中的每个像素的信号,水平扫描是由列模拟开关依次开启来执行的。垂直和水平扫描系统就是用于按行和列顺序,控制和操作整个阵列的曝光和读出。 阵列中每一列的像素共享一个列读出通道,在有M列像素的阵列中有M个 完全相同的通道电路,对信号进行放大和模拟处理,以获取和改善一列像素的图像信号。经过列选择的图像信号通过可变增益的宽带模拟放大器,然后输入到高速模拟数字转换电路。模拟图像信号在模数转换电路上变换成数字图像数据,以串行或并行格式输出到集成电路芯片的引脚上。 整个像素阵列的曝光和读出过程,由一个控制器按事先设计的时序和输入的指令同步操作,操作时序由像素阵列的曝光和读出的方式和速率所决定。为了减 少芯片引脚的数量,操作指令和数据通常以串行方式如I2C格式输入,并存储在控制数据存储器中,作为每次曝光读出操作的依据。操作指令通过译码产生操作的控制信号,控制扫描电路和各个模拟开关的同步操作。 2.1.2CMOS图像传感器芯片的封装 CMOS图像传感器一般采用标准的集成电路芯片封装,只是在外壳的传感 器阵列上方,制作一个光学玻璃窗口,使被摄物体的光学图像经过透镜聚焦,成像在芯片的像素阵列平面上。在这里,透镜系统的光学中轴线,必须对准传感器 阵列平面的几何中心,并与成像平面精密垂直。图2.2的左边示意封装的剖面,封装外壳和玻璃窗口共同实现芯片的密封,芯片的焊盘由引线焊接到封装引脚实现电连接。图2.2右边是CMOS图像传感器集成电路芯片的俯视图,硅片安装 在封装外壳中,硅片上较亮的矩形面积是像素阵列,深色区域是由遮光材料覆盖的模拟和数字电路部分,周边是引脚焊盘。在数码照相机或电视视频摄像机中,CMOS图像传感器芯片被安装在透镜光学系统的后面,从窗口输入光学图像,从芯片引脚上输出图像数据信号。芯片与图像存储、处理和有关的控制电路一起安装在印制电路板上,形成可以独立操作和完成独立功能的整机。

数字图像处理

DFT的应用 姓名: 学号:12011243923 专业:通信工程 班级:通信(1)班 学院:物电学院 完成日期:2013.11.10

一DFT的定义与计算 对离散时间信号的频谱分析,可以用离散时间傅里叶变换,即DTFT。DTFT使我们能够在数字域频率分析信号的频谱和离散系统的频率响应特性,但对于DTFT仍然存在两个实际问题。 (1)数字域频率是一个连续变量,不利于用计算机进行计算。为了便于用数字的方法进行离散时间信号与系统的频域分析和处理,仅仅在时间域进行离散化还不够,还必须在频谱进行离散化。 (2)数字化方法处理的序列只能为有限长的,所以,要专门讨论有限长序列的频谱分析问题。 根据这样的要求,引出了有限长序列的离散傅里叶变换的概念。有限长序列的离散傅里叶变换,简称为离散傅里叶变换,即DFT(Discrete Fourier Transform)。DFT的定义如下。 设有限长序列,它的离散傅里叶变换DFT 定义为 (1) 根据式(1)可以推出公式 (2)

式(2)称为离散傅里叶反变换(IDFT)。式(1)和式(2)构成一DFT变换对。注意不要把离散傅里叶变换DFT和离散时间傅里叶变换DTFT混淆了。DTFT是对任意序列的傅里叶变换,它的频谱是一个连续函数,而DFT是对有限长序列的离散傅里叶变换,DFT 的特点是无论在时域还是在频谱都是离散的,而且都是有限长的。 DFT提供了使用计算机或DSP芯片来分析信号与系统的一种方法,尤其是DFT的快速算法FFT,在许多科学技术中得到了广泛的应用,并推动了数字信号处理技术及相关学科的迅速发展,这些内容会在数字信号处理课程有详细介绍,这里就不再多述。 一般为复数,可以写成实部和虚部的形式为 (3)或者是幅度和相位的形式 (4) 其中幅度称为序列的幅度谱,相位称为序列的相位谱,它们分别为 (5) (6)

CMOS图像传感器简介

CMOS图像传感器简介 ——机制班张波摘要:本文介绍了CMOS图像传感器的工作原理和性能指标,指出了CMOS图像传感器的技术问题和解决途径,综述了CMOS图像传感器的现状和发展趋势。 1.引言 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor,互补金属氧化物半导体)图像传感器是利用CMOS工艺制造的图像传感器,主要利用了半导体的光电效应,和电荷耦合器件(CCD)图像传感器的原理相同。 自从上世纪60年代末期,CMOS图像传感器与CCD图像传感器的研究几乎同时起步,但由于受当时工艺水平的限制,CMOS图像传感器图像质量差、分辨率低、噪声降不下来和光照灵敏度不够[1],因而没有得到重视和发展。而CCD器件因为有光照灵敏度高、噪音低、像素少等优点一直主宰着图像传感器市场[2]。由于集成电路设计技术和工艺水平的提高,CMOS图像传感器过去存在的缺点,现在都可以找到办法克服,而且它固有的优点更是CCD器件所无法比拟的,因而它再次成为研究的热点。 2.基本原理 CMOS型和CCD型固态图像传感器在光检测方面都利用了硅的光电效应原理,不同点在于像素光生电荷的读出方式。CMOS图像传感器工作原理如图1所示[3]。根据像素的不同结构,CMOS图像传感器可以分为无源像素被动式传感器(PPS)和有源像素主动式传感器(APS)。根据光生电荷的不同产生方式APS 又分为光敏二极管型、光栅型和对数响应型,现在又提出了DPS(digital pixel sensor)概念。 图1 CMOS图像传感器工作原理

(1)无源像素被动式传感器(PPS) PPS的像素结构包含一个光电二极管和一个场效应管开关V,其像素结构如图2所示,图3为信号时序图。当V选通时,光电二极管中由于光照产生的电荷传送到了列选择线,然后列选择线下端的积分放大器将该信号转化为电压输出,光电二极管中产生的电荷与光信号成一定的比例关系。无源像素具有单元结构简单、寻址简单、填充系数高、量子效率高等优点,但它灵敏度低、读出噪声大。因此PPS不利于向大型阵列发展,所以限制了应用,很快被APS代替。 图2 PPS像素结构图3 图像信号时序 (2)有源像素主动式传感器(APS) APS像素结构的基本电路如图4所示。从图上可以看出,场效应管V1构成光电二极管的负载,它的栅极接在复位信号线上,当复位脉冲出现时,V1导通,光电二极管被瞬时复位;而当复位脉冲消失后,V1截止,光电二极管开始积分光信号。图5为上述过程的时序图,其中,复位脉冲首先来到,V1导通,光电二极管复位;复位脉冲消失后,光电二极管进行积分;积分结束后,V3管导通,信号输出。 图4 APS像素结构图5 图像信号时序 (3)数字像素图像传感器(DPS) 上面提到的无源像素传感器和器和有源像素传感器的像素读出均为模拟信号,于是它们又通称为模拟像素传感器。近年来,美国斯坦福大学提出了一种新的CMOS图像传感器结构一数字像素传感器(DPS),在像素单元里集成了ADC (Analog-to-Digital Convertor)和存储单元[4]。由于这种结构的像素单元读出为

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