有源像素CMOS图像传感器
CMOS图像传感器医疗领域受追捧
CMOS图像传感器医疗领域受追捧[导读]CMOS传感器近年来取得的发展，特别是在使用小尺寸像素获得高分辨率以及降低噪声和暗电流水平等方面取得的成就，已使CMOS传感器成为一种应用越来越广泛的低成本设备。
标签：CMOS图像传感器卫生信息化三个重要的产业目标医学技术一直是CCD(电荷耦合设备)图像传感器的重要应用领域之一。
现在，CMOS传感器已进入高速发展时期。
究其原因，首先，CMOS图像质量可与 CCS图像相媲美。
其次，利用标准半导体制造工艺，CMOS传感器在价格方面占据很大优势。
第三，CMOS传感器在电路集成方面的无限潜力可以减少输入输出接口数量。
以一种使用一次后即可丢弃的特殊CMOS图像传感器为基础，一种新型的低成本结肠镜已经得到开发。
这种结肠镜无需对结肠病诊疗设备进行成本高昂的杀菌操作，因此避免了出现任何感染的可能。
这种设备尺寸很小，能够完成几乎无痛的检查。
由于CCD图像传感器具有分辨率高、噪声低、暗电流小以及感光范围大等诸多优点，医学图像采集一直是这种图像传感器的重要应用领域。
另一方面，CMOS传感器近年来取得的发展，特别是在使用小尺寸像素获得高分辨率以及降低噪声和暗电流水平等方面取得的成就，已使CMOS传感器成为一种应用越来越广泛的低成本设备。
从X射线图像采集以及内窥镜检查的各个领域，到具有自主特点的“药丸中的相机”，CMOS传感器的应用领域可谓包罗万象。
CMOS技术的特点互补性金属氧化半导体(CMOS)技术的天然优势在于，这种技术能够在传感器芯片上加入CMOS逻辑电路，从而将图像采集与控制、转换及传感等功能融为一体[1]。
其高集成密度又使小型单芯片系统的实现成为可能。
将更多系统功能集成在一起以开发出自主光电传感器系统，这一目标的实现目前仅受投资回报、市场容量以及开发成本等经济因素的制约。
单芯片解决方案由于外部元件和互连数目较少等优点而在同类解决方案中脱颖而出，这些优点对于直径很小的内窥镜来说具有非常重要的意义。
CMOS图像传感器与CCD的比较及发展现状
[ 4 ] 由于 每个 放大 器 仅在 所有 与 C C D 转 移相 关的 缺陷 ;
信号 读出 期间才 被激 发 , 所以 功耗 比 C C D 小 .AP S的 主要 缺点 是像素 尺寸 较大 , 填 充系 数小 , 其设 计填 充系
5 ] 数典 型值 为 2 0 % -3 0 %[ .
图像传感器的研 制 5 C MO S 现状及发展趋势
半 导 体 系 统所 研 制 的 用 于 数 字和 视 频 领 域 Ro c k �e l l 的 6 4 0 �4 8 0 , 8 0 0 �6 0 0 , 9 6 0 �7 2 0阵 列 高 分 辨 率
,Ha , C MOS 图 像 传 感 器 ;另 外 ,Ko d a k ma ma � � � , I ME C AT& T, L � c e n � Te c h n o l o g i e �I B M 和 H� � n d a i 等 公司 均 开 发 出各 种 类 型 的 C MOS图像 传 感 器 . 同 时, 基于 C MOS图 像 传感 器 的 应 用 系 统也 不 断 出 现 :
1 引
言
框图 .
C C D是 7 0年代 初发 展 起来 的新 型 半导 体 光电 成 像 器 件 .由 美 国 贝 尔 实 验 室 的 W . . . S � o � ~ e和 �. � 年 提出 , 目 前, 在 S yi t h于 1 � 7 0 C C D 技术 已相 当成 熟 , 摄像 , 信号 处理 和存 贮等 诸多 领域 得到 广泛的 应用 . 图 像传感 器也 出现 在 7 但 发展 缓慢 . 直 到目 前 , 0年代 初 , C MOS图 像 传 感 器 的 一 些 性 能 指 标 已 接 近 或 达 到 C C D.
cmos结构像素工作
cmos结构像素工作CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）是指互补金属氧化物半导体，是一种集成电路的设计工艺，被广泛应用于计算机、通讯和消费电子产品中。
在CMOS 图像传感器中，像素结构主要分为无源像素图像传感器（PPS）和有源像素图像传感器（APS）两种。
APS 结构的像素内部包含一个有源器件，即放大器。
由于该放大器在像素内部具有放大和缓冲功能，具有良好的消噪功能，且电荷不需要像CCD 器件那样经过远距离移位到达输出放大器，因此避免了所有与电荷转移有关的CCD 器件的缺陷。
APS 像素单元有放大器，它不受电荷转移效率的限制，速度快，图像质量较PPS 得到了明显地改善。
此外，由于每个放大器仅在读出期间被激发，所以将经光电转换后的信号在像素内放大，然后用x-y 地址方式读出，提高了固体图像传感器的灵敏度。
相比之下，PPS 结构的CMOS 图像传感器中的每个像素仅包含一个感光二极管和一个开关管，没有放大器。
感光二极管将光信号转换为电信号，然后通过开关管输出。
PPS 结构简单，制造成本低，但噪声较大，灵敏度较低。
在实际应用中，APS 结构的CMOS 图像传感器通常用于需要高质量图像的应用，如数码相机、手机摄像头等。
而PPS 结构的CMOS 图像传感器则常用于一些对图像质量要求不高的应用，如监控摄像头、玩具相机等。
总的来说，CMOS 结构像素工作的原理是通过感光二极管将光信号转换为电信号，并通过像素内的电路进行处理和输出。
APS 和PPS 两种结构各有优缺点，应根据具体应用需求选择合适的结构。
随着技术的不断发展，CMOS 图像传感器的性能将不断提高，为人们带来更好的图像体验。
6-1光电成像系统信号处理-第2讲-CMOS图像传感器-2018
2. 信号的输出
增加像元中晶体管的数目，帮助芯片实现更多的功能并
弥补某些缺点，如噪声高、快门一致性差等缺点。但由
于这些晶体管是遮光的，同时也进一步降低了芯片的填
充因子，降低了芯片的灵敏度。
CMOS的像元结构相比CCD更为复杂，尽管没 有单晶硅，不会减少对蓝光的灵敏度，但其相对 较小的光敏区域降低了整体的光敏特性，同时也 降低了芯片的满阱容量。
功耗差异：CMOS传感器的图像采集方式为主动式，感光二极管
所产生的电荷会直接由晶体管放大输出，但CCD传感器为被动式采 集，需外加电压让每个象素中的电荷移动，而此外加电压通常需要
达到12~18V；因此，CCD传感器除了在电源管理电路设计上的难度
更高之外(需外加 power IC)，高驱动电压更使其功耗远高于CMOS 传感器的水平。
ห้องสมุดไป่ตู้
E2V（英）、CMOSIS（比利时）、
2. CMOS在中国的发展
国产CMOS的骄傲：长春光机所
量子效率达95%的背照式CMOS芯片
被美国Photometric公司选用，制造最新一代科研及CMOS 相机
3. CCD与 CMOS图像传感器的竞争
CCD和CMOS的全球出货量（单位：百万颗）
孰优孰劣，见仁见智
6.3.5 CMOS图像传感 器的发展
1. CMOS在国际上的发展
1970年,CMOS图像传感器在NASA的喷气推进实验室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， 1997年英国爱丁堡VLSI Version公司首次实现了CMOS图像传感器 的商品化，
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。
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,敏感组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;然而今天,随着制作工艺的提高,使在像素内部增加复杂功能的想法成为可能;现在,在像素位置以内已经能增加诸如电子开关、互阻抗放大器和用来降低固定图形噪声的相关双采样保持电路以及消除噪声等多种附加功能;实际上,在Conexant公司前Rockwell半导体公司的一台先进的CMOS摄像机所用的CMOS图传感器上,每一个像素中都设计并使用了6个晶体管,测试到的读出噪声只有1均方根电子;不过,随着像素内电路数量的不断增加,留给感光二极管的空间逐渐减少,为了避免这个比例又称占空因数或填充系数的下降,一般都使用微透镜,这是因为每个像素位置上的微小透镜都能改变入射光线的方向,使得本来会落到连接点或晶体管上的光线重回到对光敏感的二极管区域;因为电荷被限制在像素以内,所以CMOS图像传感器的另一个固有的优点就是它的防光晕特性;在像素位置内产生的电压先是被切换到一个纵列的缓冲区内,然后再被传输到输出放大器中,因此不会发生传输过程中的电荷损耗以及随后产生的光晕现象;它的不利因素是每个像素中放大器的阈值电压都有细小的差别,这种不均匀性就会引起固定图像噪声;然而,随着CMOS图像传感器的结构设计和制造工艺的不断改进,这种效应已经得到显着弱化;这种多功能的集成化,使得许多以前无法应用图像技术的地方现在也变得可行了,如孩子的玩具,更加分散的保安摄像机、嵌入在显示器和膝上型计算机显示器中的摄像机、带相机的移动电路、指纹识别系统、甚至于医学图像上所使用的一次性照相机等,这些都已在某些设计者的考虑之中;3设计考虑然而,这个行业还有一个受到普遍关注的问题,那就是测量方法,具体指标、阵列大小和特性等方面还缺乏统一的标准;每一位工程师在比较各种资料一览表时,可能会发现在一张表上列出的是关于读出噪声或信噪比的资料,而在另一张表上可能只是强调关于动态范围或最大势阱容量的资料;因此,这就要求设计者们能够判断哪一个参数对他们最重要,并且尽可能充分利用多产品的CMOS图像传感器家族;一些关键的性能参数是任何一种图像传感器都需要关注的,包括信噪比、动态范围、噪声固定图形噪声和读出噪声、光学尺寸以及电压的要求;应当知道并用来对比的重要参数有：最大势阱容量、各种工作状态下的读出噪声、量子效率以及暗电流,至于信噪比之类的其它参数都是由那些基本量度推导出来的;对于像保安摄像机一类的低照度级的应用,读出噪声和量子效应最重要;然而对于象户外摄影一类的中、高照度级的应用,比较大的最大势阱容量就显得更为重要;动态范围和信噪比是最容易被误解和误用的参数;动态范围是最大势阱容量与最低读出噪声的比值,它之所以引起误解,是因为读出噪声经常不是在典型的运行速度下测得的,而且暗电流散粒噪声也常常没有被计算在内;信噪比主要决定于入射光的亮度级事实上,在亮度很低的情况下,噪声可能比信号还要大;所以,信噪比应该将所有的噪声源都考虑在内,有些资料一览表中常常忽略散粒噪声,而它恰恰是中、高信号电平的主要噪声来源;而SNRDARK得到说明,实际上与动态范围没有什么两样;数字信噪比或数字动态范围是另一个容易引起混淆的概念,它表明的只是模拟/数字A/D 转换器的一个特性;虽然这可能很重要,但它并不能精确地描述图像的质量;同时我们也应清楚地认识到,当图像传感器具有多个可调模拟增益设置时,模拟/数字转换器的分辨率不会对图像传感器的动态范围产生限制;光学尺寸的概念的模糊,是由于传统观念而致;使用光导摄像管只能在部分范围内产生有用的图像;它的计算包括度量单位的转换和向上舍入的方法;采用向上舍入的方法,先以毫米为单位测量图像传感器的对角线除以16,就能得到以英寸为单位的光学尺寸;例如的尺寸是而不是;假如你选择了一个光学尺寸为的图像传感器,很可能出现图像的四周角落上的映影阴影现象;这是因为有些资料一览表欺骗性地使用了向下舍入的方法;例如,将的尺寸称为,理由很简单：光学尺寸的图像传感器的价格要比光学尺寸的图像传感器的价格低得多,但是这对系统工作性能产生不利影响;所以,设计者应该通过计算试用各种不同的图像传感器来得到想要的性能;CMOS图像传感器的一个很大的优点就是它只要求一个单电压来驱动整个装置;不过设计者仍应谨慎地布置电路板驱动芯片;根据实际要求,数字电压和模拟电压之间尽可能地分离开以防止串扰;因此良好的电路板设计,接地和屏蔽就显得非常重要;尽管这种图像传感器是一个CMOS装置并具有标准的输入/输出I/O电压,但它实际的输入信号相当小,而且对噪声也很敏感;到目前为止,已设计出高集成度单芯片CMOS图像传感器;设计者力求使有关图像的应用更容易实现多功能,包括自动增益控制AGC、自动曝光控制AEC、自动平衡AMB、伽玛样正、背景补偿和自动黑电平校正;所有的彩色矩阵处理功能都集成在芯片中;CMOS图像传感器允许片上的寄存器通过I2C总线对摄像机编程,具有动态范围宽、抗浮散且几乎没有拖影的优点;4CMOS-APS的潜在优点和设计方法4．1CMOS-APS胜过CCD图像传感器的潜在优点CMOS APS胜过CCD图像传感器的潜在优点包括1～5：1消除了电荷反复转移的麻烦,免除了在辐射条件下电荷转移效率CTE的退化和下降;2工作电流很小,可以防止单一振动和信号闭锁;3在集成电路芯片中可进行信号处理,因此可提供芯迹线,模/数转换的自调节,也能提供由电压漂移引起的辐射调节;与硅探测器有关,需要解决的难题和争论点包括1～2：1在体材料界面由于辐射损伤而产生的暗电流的增加问题;2包括动态范围损失的阈值漂移问题;3在模/数转换电路中,定时和控制中的信号闭锁和单一扰动问题;4．2CMOS-APS的设计方法CMOS-APS的设计方法包括：1为了降低暗电流而进行研制创新的像素结构;2使用耐辐射的铸造方法,再研制和开发中等尺寸“dumb”哑成像仪通过反复地开发最佳像素结构;3研制在芯片上进行信号处理的器件,以适应自动调节本身电压Vt的漂移和动态范围的损失;4研制和开发耐辐射单一扰动环境的定时和控制装置;5研制和加固耐辐射的模/数转换器;6寻找低温工作条件,以便在承受最大幅射强度时,找到并证实最佳的工作温度;7研制和开发大尺寸、全数字化、耐辐射的CMOS-APS,以便生产;8测试、评价和鉴定该器件的性能;9引入当代最高水平的组合式光学通信/成像系统测试台;5像素电路结构设计目前,已设计的CMOS图像传感器像素结构有：空隙积累二极管HAD型结构、光电二极管型无源像素结构、光电二极管型有源像素结构、对数变换积分电路型结构、掩埋电荷积累和敏感晶体管阵列BCAST型结构、低压驱动掩埋光电二极管LV－BPD型结构、深P阱光电二极管型结构、针型光电二极管PPD结构和光栅型有源像素结构等;5．1CMOS PPS像素结构设计光电二极管型CMOS无源像素传感器CMOS-PPS的结构自从1967年Weckler首次提出以来实质上一直没有变化,其结构如图1所示;它由一个反向偏置的光敏二极管和一个开关管构成;当开关管开启时,光敏二极管与垂直的列线连通;位于列线末端的电荷积分放大器读出电路保持列线电压为一常数,并减小KTC噪声;当光敏二极管存贮的信号电荷被读出时,其电压被复位到列线电压水平,与此同时,与光信号成正比的电荷由电荷积分放大器转换为电荷输出;单管的PD-CMOS-PPS允许在给定的像素尺寸下有最高的设计填充系数,或者在给定的设计填充系数下,可以设计出最小的像素尺寸;另外一个开关管也可以采用,以实现二维的X Y 寻址;由于填充系数高且没有许多CCD中多晶硅叠层,CMOS-PPS像素结构的量子效率较高;但是,由于传输线电容较大,CMOS-PPS读出噪声较高,典型值为250个均方根电子,这是致命的弱点;5．2CMOS-APS的像素结构设计几乎在CMOS-PPS像素结构发明的同时,科学家很快认识到在像素内引入缓冲器或放大器可以改善像素的性能;虽然CMOS图像传感器的成像装置将光子转换为电子的方法与CCD相同,但它不是时钟驱动,而是由晶体三极管作为电荷感应放大器;在一些CMOS图像传感器中,每组像素的顶端有一个放大器,每个像素只有一个作为阈值电流值开关的三极管;开关像素中的电荷为放大器充电,其过程类似DRAM中的读取电路,这种传感器被称为PPS;PPS的结构很简单,它具有高填充系数;各像元没有很多的多晶硅层覆盖,其量子效率很高,但是PPS的读取干扰很高,只适应于小阵列传感器;在CMOS-APS中每一像素内都有自己的放大器;CMOS-APS的填充系数比CMOS-PPS的小,集成在表面的放大晶体管减少了像素组件的有效表面积,降低了“封装密度”,使40％～50％的入射光被反射;这种传感器的另一个问题是,如何使传感器的多通道放大器之间有较好的匹配,这可以通过降低残余水平的固定图形噪声较好地实现;由于CMOS-APS像素内的每个放大器仅在此读出期间被激发,所以CMOS-APS的功耗比CCD图像传感器的还小;与CMOS-PPS相比,CMOS－APS的填充系数较小,其设计填充系数典型值为20％～30％,接近内线转换CCD的值;5．2．1光敏二极管CMOS-APSPD-CMOS-APS的像素结构1968年,Noble描述了PD-CMOS-APS;后来,这种像素结构有所改进;PD-CMOS-APS的像素结构如图2所示;高性能CMOS APS由美国哥伦比亚大学电子工程系和喷气推进实验室JPL在1994年首次研制成功,像素数为128×128,像素尺寸为40μm×40μm,管芯尺寸为×,采用μmCMOSn阱工艺试制,动态范围为72dB,固定图形噪声小于％饱和信号水平;固定图形噪声小于％饱和信号水平;1997年日本东芝公司研制成功了640×480像素光敏二极管型CMOS APS,其像素尺寸为μm×μm,具有彩色滤色膜和微透镜阵列;2000年美国Foveon公司与美国国家半导体公司采用μmCMOS工艺研制成功4096×4096像素CMOS APS10,像素尺寸为5μm×5μm,管芯尺寸为22mm×22mm,这是迄今为止世界上集成度最高、分辨率最高的CMOS固体摄像器件;有关CMOS APS的工作原理、发展现状及其应用,笔者已作过详细介绍6～8;因为光敏面没有多晶硅叠层,PD-CMOS-APS的量子效率较高,它的读出噪声由复位噪声限制,典型值为75均方根电子～100均方根电子;PD-CMOS-APS的每个像素采用3个晶体管,典型的像元间距为15μm;PD-CMOS-APS适宜于大多数低性能应用;5．2．2光栅型CMOS APSPG-CMOS-APS的像素结构1993年由JPL最早研制成功PG-CMOS-APS并用于高性能科学成像的低光照明成像;PG-CMOS-APS结合了CCD和X Y寻址的优点,其结构如图3所示;光栅信号电荷积分在光栅PG下,浮置扩散点A复位电压为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点,复位电压水平与信号电压水平之差就是传感器的输出信号;当采用双层多晶硅工艺时,PG与转移栅TX之间要恰当交叠;在光栅与转移栅之间插入扩散桥,可以采用单层多晶硅工艺,这种扩散桥要引起大约100个电子的拖影;光栅型CMOS APS每个像素采用5个晶体管,典型的像素间距为20μm最小特征尺寸;采用μmCMOS工艺将允许达到5μm的像素间距;浮置扩散电容的典型值为10－14F量级,产生20μV/e的增益,读出噪声一般为10均方根电子～20均方根电子,已有读出噪声为5均方根电子的报道;CMOS图像传感器的设计分为两大部分,即电路设计和工艺设计,CMOS图像传感器的性能好坏,不仅与材料、工艺有关,更重要的是取决于电路设计和工艺流程以及工艺参数设计;这对设计人员提出更高的要求,设计人员面要宽,在设计中,不但要懂电路、工艺、系统方面的知识,还要有较深的理论知识;这个时代对设计者来说是一个令人兴奋和充满挑战的时代;计算机辅助设计技术为设计者提供了极大的方便,但图像系统的用途以及目标用户的范围由制造商决定;如果用户装有Windows95的系统,那么就要确定图像系统不是Windows98的;如果你只是为了获取并存储大量的低分辨率图像,那就不要选择一个能够提供优质图像但同时会产生更多数据以致于无法存储的高分辨率图像传感器;现在还存在许多非标准的接口系统;现在仅供数字相机所使用可装卸存储介质就包括PCMCIA卡、东芝Toshiba的速闪存储器及软磁盘;重要的是,要根据产品未来所在的工作环境,对样品进行细致的性能评估;5．3CCD和CMOS系统的设计CCD图像传感器和CMOS图像传感器在设计上各不相同,对于CCD图像传感器,不能在同一芯片上集成所需的功能电路;因此,在设计时,除设计光敏感部分即CCD图像传感器外,还要考虑设计提供信号和图像处理的功能电路,即信号读出和处理电路,这些电路需要在另外的基片上制备好后才能组装在CCD图像传感器的外围；而CMOS图像传感器则不同,特别是CMOS APS可以将所有的功能电路与光敏感部分光电二极管同时集成在同一基片上,制作成高度集成化的单芯片摄像系统;与前者相比,成本低、制备容易、体积小、微型化、功耗低,虽然开始有人认为光照灵敏度不如CCD图像传感器的高,并且暗电流和噪声比较大,近来由于改进了电路设计,采用亚微米和深亚微米光刻技术,使CMOS图像传感器的性能得到改善;已经具备与CCD图像传感器进行竞争的条件,21世纪,CMOS摄像器件将成为信息获取与处理领域的佼佼者;到那时,单芯片摄像机和单芯片数码相机将进入千家万户;这些都得益于CMOS APS为人们提供了高度集成化的系统,如图4所示;图5示出CMOS数码相机的框图,从中可见数码相机设计的复杂性;霍尔器件是一种基于霍尔效应的磁传感器,已发展成一个品种多样的磁传感器产品族,并已得到广泛的应用;本文简要介绍其工作原理、产品特性及其典型应用;图39霍尔电流传感器在逆变器中的应用CS为霍尔电流传感器图40霍尔电流传感器在UPS中的应用1、2、3均为霍尔电流传感器图41霍尔电流传感器在电子点焊机中的应用在逆变器中的应用在逆变器中,用霍尔电流传感器进行接地故障检测、直接侧和交流侧的模拟量传感,以保证逆变器能安全工作;应用线路如图39所示;在不间断电源中的应用如图40所示,霍尔电流传感器1发出信号并进行反馈,以控制晶闸管的触发角,电流传感器2发出的信号控制逆变器,传感器3控制浮充电源;用霍尔电流传感器进行控制,保证逆变电源正常工作;由于其响应速度快,特别适用于计算机中的不间断电源;在电子点焊机中的应用在电子点焊机电源中,霍尔电流传感器起测量和控制作用;它的快速响应能再现电流、电压波形,将它们反馈到可控整流器A、B,可控制其输出;用斩波器给直流迭加上一个交流,可更精确地控制电流;用霍尔电流传感器进行电流检测,既可测量电流的真正瞬时值,,又不致引入损耗,如图41所示;用于电车斩波器的控制电车中的调速是由调整电压实现的;将霍尔电流传感器和其它组件配合使用,并将传感器的所有信号输入控制系统,可确保电车正常工作;其控制原理示图42霍尔电流传感器在电车斩波器中的应用图43在变频调速电机中的应用I,R,S,T均为霍尔电流传感器图44用于电能管理的霍尔电流传感器图45霍尔接地故障检测器的原理和结构于图42;图中,SCR1是主串联晶闸管,SCR2为辅助晶闸管,Lo、Co组成输入滤波器,Ls是平滑扼流圈,M1～M5是霍尔电流传感器;在交流变频调速电机中的应用用变频器来对交流电机实施调速,在世界各发达国家已普遍使用,且有取代直流调速的趋势;用变频器控制电机实现调速,可节省10％以上的电能;在变频器中,霍尔电流传感器的主要作用是保护昂贵的大功率晶体管;由于霍尔电流传感器的响应时间短于1μs,因此,出现过载短路时,在晶全管未达到极限温度之前即可切断电源,使晶体管得到可靠的保护,如图43所示;用于电能管理图44给出一种用于电能管理的电流传感器的示意图;图中,12是通电导线,11是导磁材料带,17是霍尔组件,19是霍尔组件的输入、输出引线;由此构成的电流传感器,可安装到配电线路上进行负载管理;霍尔器件的输出和计算机连接起来,对用电情况进行监控,若发现过载,便及时使受控的线路断开,保证用电设备的安全;用这种装置,也可进行负载分配及电网的遥控、遥测和巡检等;在接地故障检测中的应用在配电和各种用电设备中,可靠的接地是保证配电和用电设备安全的重要措施;采用霍尔电流传感器来进行接地故障的自动监测,可保证用电安全;图45示出一种霍尔接地故障监测装置;在电网无功功率自动补偿中的应用电力系统无功功率的自动补偿,是指补偿容量随负荷和电压波动而变化,及时准确地投入和切除电容器,避免补偿过程中出现过补偿和欠补偿的不合理和不经济,使电网的功率因数始终保持最佳;无功功率的自动采样若用霍尔电流、电压传感器来进行,在保证“及时、准确”上具有显着的优点;因为它们的响应速度快,且无相位差,如图46所示;图46电网无功功率自动补偿控制器的原理框图霍尔钳形电流表将磁芯做成张合结构,在磁芯开口处放置霍尔器件,将环形磁芯夹在被测电流流过的导线外,即可测出其中流过的电流;这种钳形表既可测交流也可测直流;图48示出一种数字钳形交流电流表的线路;用钳形表可对各种供电和用电设备进行随机电流检测;电功率测量使负载电压变换,令其与霍尔器件的工作电流成比例,将负载电流通入磁芯绕组中,作为霍尔电流传感器的被测电流,即可构成霍尔功率计;由霍尔器件输出的霍尔电压来指示功率,其工作原理如图49所示;在电力工频谐波分析仪中的应用在电力系统中,电网的谐波含量用电力工频谐波仪来进行测试;为了将被测电压和电流变换成适合计算机A/D采样的电压,将各种电力工频谐波分析仪的取样装置,如电流互感器、电压互感器、电阻取样与光隔离耦合电路等和霍尔电流传感取样测试对比,结果表明霍尔电流传感器最为适用;对比结果如表8所示;表8电力工频谐波分析仪中使用的3种接口部件的比较LEM模块是一种霍尔零磁通电流传感器接口部件性能、特点在开关电源中的应用近代出现的开关电源,是将电网的非稳定的交流电压变换成稳定的直流电压输出的功率变换装置;无论是电压控制型还是电流控制型开关电源,均采用脉冲宽度调制,借助驱动脉冲宽度与输出电压幅值之间存在的某种比例关系来维持恒压输出;其中,宽度变化的脉冲电压或电流的采样、传感等均需用电流、电压传感器来完成;霍尔电流、电压传感器以其频带宽、响应时间快以及安装简便而成为首选的电流、电压传感器;在大电流检测中的应用在冶金、化工、超导体的应用以及高能物理例如可控核聚变试验装置中都有许多超大型电流用电设备;用多霍尔探头制成的电流传感器来进行大电流的测量和控制,既可满足测量准确的要求,又不引入插入损耗,还免除了像使用罗果勘斯基线圈法中需用的昂贵的测试装置;图47示出一种用于DⅢ－D托卡马克中的霍尔电流传感器装置;采用这种霍尔电流传感器,可检测高达到300kA的电流;。
CMOS图像传感器原理及应用
模数转换器：将放大后的电信号转换为数字信号
像素阵列：由许多像素组成，每个像素包含光电二极管和放大器
光电二极管：将光信号转换为电信号
光子进入CMOS图像传感器，被光电二极管吸收
光电二极管将光子转换为电子，形成电荷
电荷被存储在像素内的电容器中
电荷通过读取电路读取，转换为数字信号
材料替代：采用新型材料替代传统材料，降低生产成本
工艺优化：不断优化生产工艺，降低生产成本
技术进步：CMOS图像传感器技术不断进步，成本逐渐降低
规模效应：随着市场需求的扩大，生产规模逐渐扩大，成本降低
竞争加剧：市场竞争加剧，厂商为了抢占市场份额，降低成本
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CMOS图像传感器在数码相机中的应用，使得相机能够捕捉到高质量的图像
CMOS图像传感器在数码相机中的应用，使得相机能够实现自动对焦、自动曝光等功能
CMOS图像传感器在数码相机中的应用，使得相机能够实现高速连拍、高感光度等功能
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特点：具有高灵敏度、高动态范围、低功耗等优点
应用领域：广泛应用于安防监控、交通监控、工业监控等领域
工作原理：通过CMOS图像传感器捕捉图像信号，经过处理后输出视频信号
发展趋势：随着技术的发展，CMOS图像传感器在监控摄像头中的应用将更加广泛和深入。
应用领域：医疗影像设备是CMOS图像传感器的重要应用领域之一
应用设备：包括X射线机、CT扫描仪、MRI扫描仪等
CMOS图像传感器在像素读取过程中，每个像素单独进行光电转换，不需要扫描整个阵列，从而降低功耗。
CMOS图像传感器内部逻辑电路采用亚阈值电平工作，功耗较低。
CMOS图像传感器的特点
CMOS图像传感器的特点1.3.1有源像素传感器CMOS图像传感器与它的前一代技术CCD图像传感器相比，最重要的特点就是在像素阵列中采用了有源像素传感器（Active Pixel Sensor，APS）。
虽然这两种技术都采用硅光电二极管PD作为基本的光电转换单元，而在CCD像素中只有一个简单的光电二极管，所以被称为无源像素传感器（Passive Pixel Sensor，PPS）。
其像素直接输出在二极管PN结上由光子能量激发的载流子电荷，经过特殊的电荷耦合器件CCD传输结构，把电荷信号的模拟量精确地转移输出到像素阵列外面，然后经过电荷-电压转换电路变成可以用常规模拟电路方法放大处理的电压信号。
而在CMOS器件的APS像素上集成了光电二极管（PD）、有源的晶体管开关和放大电路，通过这些有源电路在每个像素上已经完成了电荷-电压的转换，并放大成有驱动能力的信号电压。
然后用常规的电子电路方法把像素信号切换到传感器外面，实现图像信号的扫描输出。
图1.7所示为一个CMOS图像传感器阵列的一部分，每个APS像素中都包含光电二极管、有源放大器和模拟开关。
像素中光电二极管PN结上光子激发的电荷信号，经过像素上的放大器转换成电压信号，通过每个像素上的选择模拟开关驱动，与垂直方向的一列像素共享一个列输出信号总线，然后每一列的信号通过一个水平模拟开关选择，连接到图像信号总线上输出。
图1.7CMOS图像传感器APS像素阵列1.3.2CMOS图像传感器的集成CMOS图像传感器的第二个重要的特点，就是用CMOS集成半导体工艺构成和制造。
APS像素中的光电二极管、有源放大器和模拟开关，像素阵列周边的信号转换、选择、传输和放大，以及时序控制电路都使用共同的CMOS结构和工艺。
不但这些与像素阵列相关的结构都能被轻易地集成在单一硅片上，而且可以集成其他CMOS模拟和数字电路，一般最基本的CMOS图像传感器芯片还都包含了信号的宽带放大和模数转换器电路，使芯片可以从引脚上直接输出数字图像数据。
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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 rTTREADOUT SlUUCTUftf TT.|fOL( MKAJKi/T±PHQ-TVUIUWKEfPfR ， AK.A'*®. 匚AM 和 COKFROl JNRHpAfE I CXI, 一rnMFM^r FAME , puftr Wi 」代Met T1MIMG R«X1 巾 UVlJMJtf <U»：fkQL B 2 4丁衣漁條才示肃阳接触式图像传感器( 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。
岸I 匚1葺头橫載矗规图I'te . 1 Gwr-,“时M “I 、i" uf CIS hvudFigi 2 CIS head block diagram线阵CCD 图像传感器的驱动电路设计CCM 作原理CCD 是以电荷作为信号，而不同于其他大多数器件是以电流忽而或者电压为信号，其基本功能是信号电荷的产生、存储、传输和检测。
当光入射到 CCD 勺光敏面时，CCD 首先完成光电转换，即产生于入射光辐射量成线性关系的光电荷。
CCD 勺 工作原理是被摄物体反射光线到 CCD 器件上，CCD 根据光的强弱积聚相应的电荷， 产*咅—一呼gs *右1 Rod kni df“yn n d 咚尺吧*—Shift register kt cr iniit hMfdV[ a VDD Afiiplifwf1 r AOHuffer生于光电信号成正比的弱电压信号，经过滤波、放大处理，通过驱动电路输出一个能表示敏感物体光强弱的电信号或标准的视频信号。
基于上述将一维光学信息转变为电信号输出的原理，线阵CCD可以实现图像传感器和尺寸测量的功能。
图一为CCD光谱响应曲线驱动电路的实现线性CCD TCD1501的主要技术指标如下：像敏单元数为5000;像元尺寸为7umX7um像元中心距为7um 像元总长为35mn，光谱响应范围为400nn—1000nm 光谱响应峰值波长为550nn，灵敏度为10.4V/lx.s —15.6 V/lx.s 。
使CCD S片正常工作的驱动电路的主要有两大功能。
一是产生CCD工作所需要的多路时序脉冲，二是对CCD俞出的原始模拟信号进行处理，包括增益放大，差分信号得到单端信号的转换，最后驱动器输出用户所需要的模拟或者视频信息。
目前市场上的普及型扫描仪按光电转换元件的不同，可分为CCD（Charge Coupled Device，光电偶合感应器）扫描仪和CIS（Contact Image Sensor，接触式图像扫描）扫描仪。
前者通过镜头聚焦到CCDk，将光信号转换成电信号成像，后者紧贴扫描稿件表面进行接触式的扫描。
比较两种扫描方式，可以看到作为接触式扫描器件CIS 景深较小，对实物及凹凸不平的原稿扫描效果较差。
CCDm描仪通过镜头聚焦到CCD上直接感光，因此它的景深较CIS 扫描仪要大的多，可以十分方便的进行实物扫描。
虽然以前很多人认为CIS扫描仪可以做得非常小巧，CCD3描仪一般显得比较厚重，但是现在一些厂商推出的超薄型CCD扫描仪改变了这一状况，使得原先CIS扫描仪仅有的优势又减弱了许多。
ccDm描仪占据了绝对优势的市场地位，而CIS扫描仪技术突破难度较大，除了在移动应用市场上还有少许空间外，已无其他立足之地，并且会面临来自ccDm 描仪更大的压力。
完成光电转换的部件是感光器件，它是扫描仪的核心，其光电转换特性，如光谱响应、光的稳定性、灵敏度、噪声等，对图像信息的传送是很重要的。
目前扫描仪所使用的感光器件主要有电荷耦合器件(CCD)、接触式图像传感器(CIS) 、光电倍增管(PMT)。
电荷耦合器件CCD1969年美国贝尔实验室发明CCD(Charge Coupled Device，电荷藕合器件)，与电脑晶片CMO技术相似，也可作电脑记忆体及逻辑运作晶片。
CCD最突出的特点是以电荷作为信号，其基本功能是电荷存储和电荷转移。
因此，CCD勺工作过程主要是电荷的产生、存储、传输和检测。
CCD勺体积小、造价低，所以广泛应用于扫描仪。
电荷耦合器件CCD t两种，即半导体隔离CCD和硅氧化物隔离CCD它们是通过在一片硅单晶上集成了数千到上万个三极管构成的，这些三极管分为三列( 分别用红绿蓝三色滤色镜罩住。
三极管受到光照后会产生电流，把这些电流排序处理再经放大输出，就实现了光信号和电信号的相互转换。
两种类型的CCD比较，硅氧化物隔离CCD比半导体隔离CCD子(因为半导体隔离CCD在三极管间用PN结的电阻来绝缘，临近三极管间会因为隔离电阻较小出现漏电现象，使感光单元所产生的信号相互干扰，导致光电转换时精确度降低。
用硅氧化物隔离会大大减小漏电现象，因为硅氧化物(主要是二氧化硅)是绝缘体，能更准确地实现光电转换而减少损失。
扫描仪中感光器件CCD是一种比较成熟的技术，其成本较低，成像质量却越来越高，有些甚至可以与滚筒扫描仪中使用的光电倍增管相媲美，具有极高的性价比。
这种扫描技术由于在物体表面成像，具有一定的景深，在扫描凹凸不平的物体时，能够实现一定程度的三维效果。
并且采用硅单晶技术的CCD寸周围环境温度的要求较低，适应的范围较广。
接触式图像传感器CIS1998年一种基于CMO技术的接触式图像传感器CIS (ContactImage Sensor) 也诞生了。
CIS 扫描仪将光源、聚焦镜片及感应器一同固定于一个外罩内，不须调节、预热，所以比CCC扫描仪起动快。
CIS扫描仪体积比CC［扫描仪更小，而制造成本也更低。
实际上，接触式图像传感器CIS技术与CCD技术几乎是同时诞生的。
早期它的光学分辨率最高只能达到200dpi，曾广泛用在低档手持式黑白扫描仪上。
但是与CCD比较，它的噪声大，动态范围小，扫描精度低，因此很快就从扫描仪市场上销声匿迹了，之后只能在传真机上看到它的影子。
1998年后，国际扫描仪市场的竞争非常激烈，持续不断的降价使得不少生产厂商严重亏损，于是有些厂家开始另辟捷径，重新搬出了CIS接触式感光器件，并经过改进，使其分辨率达到了600dpi，然后以新技术的名义推向市场，再加上其生产成本只有CCD勺三分之一，所以采用CIS 的平台式扫描仪开始涌现出来。
CIS 感光器件一般使用制造光敏电阻的硫化镉作感光材料。
硫化镉光敏电阻本身漏电大，各感光单元之间干扰大，严重影响清晰度，这是该类产品扫描精度不高的主要原因。
它不能使用冷阴极灯管而只能使用LED发光二极管阵列作为光源，这种光源无论在光色还是在光线的均匀度上都比较差，导致扫描仪的色彩还原能力较低。
LED阵列由数百个发光二极管组成，一旦有一个损坏就意味着整个阵列报废，因此这种类型产品的寿命比较短。
CIS无法使用镜头成像，只能依靠贴近目标来识别，没有景深，不能扫描实物，只适用于扫描文稿。
CIS对周围环境温度的变化比较敏感，因此对工作环境的温度有一定的要求，环境温度的变化对扫描结果有明显的影响。
虽然有以上种种不足，但是早期CIS型扫描仪也有一个CCD型扫描仪无法比拟的优点，那就是重量很轻，体积特别小，可以使产品做得很薄。
市场上早期流行的超薄型扫描仪大多都是采用CIS感光器件。
但是随着技术的发展，超薄型CCC扫描仪已经开始走向市场，使CIS扫描仪正在逐渐失去仅有的优势。
光电倍增管PMT(Photo Multiplier Tube)在各种感光器件中，光电倍增管是性能最好的一种，无论在灵敏度、噪声系数还是动态范围上，都遥遥领先于其他感光器件，而且它的输出信号在相当大范围内保持着高度的线性输出，使输出信号几乎不用做任何修正就可以获得准确的色彩还原。
有了良好的线性输出，那么良好的色彩还原能力就有了保证，这在专业领域是非常重要的一项能力。
光电倍增管实际是一种电子管，由光电阴极和一系列的二次电子发射体做成的倍增电极以及阳极组成的。
其感光材料主要是由金属铯的氧化物及其他一些活泼金属(一般是镧系金属) 的氧化物共同构成。