CMOS是图像传感器的数据采集系统设计

CMOS图像传感器的图像降噪技术的研究 CMOS是图像传感器的数据采集系统设计 摘要 随着集成电路制造工艺技术的发展和集成电路设计水平的不断提高，基于CMOS集成电路工艺技术制造的CMOS图像传感器由于其集成度高、功耗低、体积小、工艺简单、成本低且开发周期较短等优势，目前在诸多领域得到了广泛的应用，特别是数码产品如数码相机、照相手机的图像传感器应用方面，市场前景广泛，因此对CMOS图像传感器的研究与开发有着非常高的市场价值。 本文首先介绍了CMOS图像传感器的发展历程和故障测试及处理研究现状。随后叙述了CMOS图像传感器的像元的分类、结构及工作原理，着重说明了成像原理和图像信号的读取和处理过程，以及时序控制模块的原理和时序关系。为了更好的应用CMOS图像传感器，我们需要对其测试及故障处理进行相关研究，进行 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 的测试及处理。 本课题基于GC0306进行了一次规范的芯片测试，并针对点不亮和花屏故障进行了分析给出处理意见。如果能应用到实际中，能使相关从业人员更从容的解决CMOS图像传感器故障，大大的提高工作效率和解决问题的能力。 由于时间的原因，很多方面本文还没有涉及到，有必要在以后的研究中进行进一步的研究。 关键字：CMOS图像传感器，传感器测试，传感器故障处理，GC0306 THE TEST AND TROUBLESHOOTING 0F CMOS IMAGE SENSOR ABSTRACT With the development of manufacturing technology of Integrated Circuit and the improvement of IC design along with its advantages，CMOS Image Sensor using CMOS techniques have been widely used in many areas because of its merits，such as high integration density, low power dissipation，minute extension，simple process，low cost and short development cycle．The market is wide open，especially in the area of digital products，therefore it is very useful and valuable to research and develop the CMOS Image Sensors． Firstly, the paper introduces the development history of the CMOS Image Sensors, the research situation of those test and the solution of the fault. Then it presents the classifications, structure and working principle of the pixel of CMOS image sensor, in which it focus on the imaging theory, the procedure of reading and processing the image signal, and the principle of timing controlling module and the timing relation. In order to achieve a better application of CMOS image sensor, the design also gives related research about those test, the solution of the fault and does some regular test and solution. Based on the GC0306, the task did a standard chip testing, and analyses the common fault, such as, can not point bright, appear spend screen, and gives some suggestions in the text. If it can be applied into practice, it can help the related practitioners settle the fault of CMOS image sensor more calmly to increase their work efficiency and ability to solve problems obviously. Because of the limited time, the text does not refer. It is necessary to do some deep research in the future. Key words: CMOS image sensor, sensor test, sensor solution, GC0306 目录 TOC \o "1-3" \h \z \u HYPERLINK \l "_Toc294852598" 摘要 I HYPERLINK \l "_Toc294852599" ABSTRACT II HYPERLINK \l "_Toc294852600" 1 绪论 1 HYPERLINK \l "_Toc294852601" 1.1 引言 1 HYPERLINK \l "_Toc294852602" 1.2 国内外CMOS图像传感器的发展现状 2 HYPERLINK \l "_Toc294852603" 1.3 CMOS图像处理器问题检测处理研究现状 5 HYPERLINK \l "_Toc294852604" 1.4 本 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 研究的目的和意义 5 HYPERLINK \l "_Toc294852605" 1.5 文章主要工作及章节安排 6 HYPERLINK \l "_Toc294852606" 2 CMOS图像传感器相关技术 7 HYPERLINK \l "_Toc294852607" 2.1 像元结构和工作原理 7 HYPERLINK \l "_Toc294852608" 2.2 CMOS图像传感器阵列结构 9 HYPERLINK \l "_Toc294852609" 2.3 三种典型像元结构的CMOS图像传感器 10 HYPERLINK \l "_Toc294852610" 2.3.1 无源像素图像传感器结构 10 HYPERLINK \l "_Toc294852611" 2.3.2 有源像素图像传感器结构 11 HYPERLINK \l "_Toc294852612" 2.3.3 数字像素图像传感器结构 13 HYPERLINK \l "_Toc294852613" 2.4 CMOS图像传感器的功能结构及工作原理 14 HYPERLINK \l "_Toc294852614" 2.5 CMOS图像传感器的时序控制 18 HYPERLINK \l "_Toc294852615" 2.6 本章小结 20 HYPERLINK \l "_Toc294852616" 3 CMOS图像传感器的测试 21 HYPERLINK \l "_Toc294852617" 3.1 电气测试 21 HYPERLINK \l "_Toc294852618" 3.2 图像的粗略测试 23 HYPERLINK \l "_Toc294852619" 3.3图像的细微测试 26 HYPERLINK \l "_Toc294852620" 3.4 本章小结 32 HYPERLINK \l "_Toc294852621" 4 CMOS图像传感器故障的处理 33 HYPERLINK \l "_Toc294852622" 4.1 点不亮 33 HYPERLINK \l "_Toc294852623" 4.1.1电阻电压测量 33 HYPERLINK \l "_Toc294852624" 4.1.2电流测量 34 HYPERLINK \l "_Toc294852625" 4.1.3 iic的读写正确直接决定着传感器的工作状态 35 HYPERLINK \l "_Toc294852626" 4.1.4 VSYNC、HSYNC的图像 39 HYPERLINK \l "_Toc294852627" 4.2 花屏 39 HYPERLINK \l "_Toc294852628" 4.3 本章小结 40 HYPERLINK \l "_Toc294852629" 结论 41 HYPERLINK \l "_Toc294852630" 致谢 44 HYPERLINK \l "_Toc294852631" 附录 译文及原文 45 1 绪论 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。 1.1 引言 70年代初CMOS传感器在NASA的Jet Propulsion 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 Version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。 CMOS图像传感器在我们生活中运用已经越来越多，涉及了各个行业各种领域以及我们生活的每一个方面，既然我们运用这么多，那么CMOS图像传感器常见问题的检测与处理就显得越发重要，我将对这方面进行相关研究，希望能给我们带来一定的方便与收益。 1.2 国内外CMOS图像传感器的发展现状 作为固体图像传感器的一大分支，CMOS图像器的研究起始于20世纪60年代末，由于当时受工艺技术的限制，直到90年代初才发展起来，至今已研制出三大类CMOS图像传感器，即CMOS无源像素传感器(CMOS-PPS)、CMOS有源像素传感器(CMOS—APS)[2]和CMOS数字像素传感器(CMOS DPS)。在此基础上又问世了CMOS视觉传感器(CMOS Visual Sensor)、CMOS应力传感器(CMOS Stress Sensor)、CMOS对数极性传感器(Log-polar CMOS Sensor)、CMOS视网膜传感器(CMOS Retinal Sensor)、对数变换形CMOS图 像传感器(Logarithmic．Converting CMOS Image Sensors)、轨对轨CMOS有源 像素传感器(Rail.to.Rail CMOS Active Pixel Sensor)、单斜率模式CMOS图像 传感器(Single Slope Mode CMOS Image Sensor)和CMOS指纹图像传感器 (CMOS Fingerprint Sensor)等。其中发展最快的是CMOS.PPS和CMOS.APS。 这两种类型的摄像器件已经进入商品化和实用阶段，但是对全面改善 CMOS.APS性能的工作还在深入进行。CMOS图像传感器能够快速发展，一是基于CMOS集成电路工艺技术的成熟，二是得益于固体图像传感器技术的研究成果。 CMOS图像传感器是20世纪70年代在美国航空航天局(NASA)的喷气推进实验室(JPL)诞生的，同CCD图像传感器几乎是同时起步的[3]。诞生之初由于其性能的不完善严重影响了图像质量，从而制约了它的发展和应用。在70年代和80年代，CCD在可见光成像方面取得了唱主角的地位。进入90年代，由于对小型化、低功耗和低成本成像系统消费需要的增加和芯片制造技术和信号处理技术的发展，为新一代低噪声、优质图像和高彩色还原度的CMOS传感器的开发铺平了道路，CMOS图像传感器逐渐成为固体图像传感器的研究和开发热点，CMOS传感器的性能也得到大幅度提高。目前研究开发CMOS图像传感器的国外机构很多，其中，以美国喷气推进实验室(JPL)空间微电子技术中心，光子视觉系统公司，美光，奥姆尼视觉公司、洛克威尔公司、比利时IMEC、柯达、贝尔实验室、Photobit公司、日本的东芝、夏普、惠普、富士、Pinkhill公司、VLST Vision公司的研究报道最多。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40It m×40p m，管芯尺寸为6.8ram×6.8mm，采用1.2ll m CMOS 11阱工艺试制，动态范围为72dB，固定图形噪声小于0.15％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5.6It m×5.6Il m，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0.18It mCMOS工艺研制成功4096×4096像素CMOS.APS，像素尺寸为5ll m×5 p m，管芯尺寸22mm X 22mm。这种图像传感器在分辨率和图像质量方面取得了重大突破，标志着CMOS图像传感器在分辨率和质量两方面的飞跃。当前国外研制开发的CMOS图像传感器主要应用于中、低分辨率领域。在低分辨率领域主要有Pinkhill公司生产的娱乐和玩具系列，VLSI Vision公司开发的用于儿童娱乐时即时拍照的新概念相机。另外中低档领域应用主要是数码相机，日本佳能公司开发成功了325万像素的CMOS图像传感器，并利用该芯片开发出EOS.D30型单反数码相机。韩国汉城国立大学电子工程学院集成系统实验室开发的264×256像素CMOS图像传感器应用于中分辨率的指纹识别系统[4] [5]。2005年柯达公司推出了310万像素CMOS图像传感器KAC23100和500万像素CMOS图像传感器KAC25000。KAC23100是需要高分辨率和突出成像性能的手机应用的理想产品，而KAC25000则是针对数码照相机和数字视频应用进行设计的。2006年柯达公司推出了1／4英寸、130万像素RAW输出的图像传感器KAC201301，该款产品具有独特的夜视技术，提供高质量的图像输出。可以支持SXGA、XGA、SVGA、VGA、QVGA、CIF和QCIF的图像输出。2005年8月，豪威科技公司推出一款1／6英寸VGACMOS图像传感器OV7670。该器件采用新的光学格式，像素尺寸从4.2 It m减小至3.6 u m，有利于减小模块高度。2006年4月，推出其汽车Camera Chip家族中的最新产品OV7949。OV7949基于专有的传感架构，是一种新型高性能和高集成度的模拟CMOS图像传感器[6]。2006年5月，安华高科技宣布推出一款1／4英寸光学格式、200万像素的CMOS图像传感器ADCC24050。该传感器可使超薄型摄像手机具有自动变焦功能，每秒撷取高达30帧的高分辨率视频图像(800x 600像素)，同时可以输出与数码相机相同画质的图像。ADCC24050是少数能够轻松放入目前业内最小且最薄摄像模块(8mmX 8mm×5ram)的200万像素传感器之一。2005年9月，赛普拉斯半导体公司宣布推出一系列1／4英寸光学格式的130万像素图像解决 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ，用于直接替代可拍照移动电话中现有的1／4英寸VGA图像传感器与1／4英寸VGA片上系统(soc)图像传感器。其中 CYIWOSCl300AAl30万像素图像传感器与CYrWCSCl300AAl30万像素SOC图像传感器是采用公司先进0.13 u m CMOS工艺、专为图像传感器生产的第一批可拍照手机图像传感器。韩国Magna Chip公司于2003年开始进入CMOS图像传感器市场，2005年收购了IC Media，同年12月，发布了一款手机专用的320万像素CMOS传感器MC532MA。 为了在CMOS图像传感器技术领域占有一席之地，缩短与国际上发达国家之间的差距，国内一些知名大学和公司，如复旦大学、武汉大学、西安电子科技大学、国防科技大学、中国科学院微电子研究中心、深圳康达电子技术有限公司、方正科技信息产品有限公司、北京思比科微电子技术有限公司、北京恩威电子技术有限公司、格科微电子(上海)有限公司等均开展了CMOS图像传感器的设计、研制和应用开发等工作。北京大学和武汉喜玛拉雅数字成像有限公司共同研制成功了具有自主知识产权的30万像素CMOS数码机相，并已实现商品化。1999年西安交通大学开元微电子科技有限公司成功研制了369×287、768×574、640×480、512×512像素CMOS图像传感器，像素尺寸均为10.8 µ m×10.8 µ m，功耗为150-200mW。并且用该器件开发出了M—N型系列CMOS微型摄像机和可视电话[7]。中国科学院成都光电技术研究所用CMOS-APS开发成功了微型星载敏感器成像系统。上海华虹集团和上海亚晨实验公司开发的CMOS图像处理器产品已投放市场。北京中星科技有限公司在推出30万-130万像素CMOS数码相机的基础上，2001年3月开发出具有国际一流水准的百万门级超大规模CMOS数码图像处理芯片“星光一号”。这是具有自主知识产权的百万门级大规模数码摄像芯片。2001年5月该芯片实现产业化并投入国际市场，为三星、飞利浦和富士通等国际知名品牌视频摄像头所采用。2002年5月22日中星科技有限公司的微型数码相机单芯片CMOS图像处理芯片列为北京市重大高新技术成果转化项目。2002年9月5日该公司又研制成功了我国第一枚具有世界领先水平的发声图像处理芯片“星光二号”。该芯片首次将音频和视频固化一体并同步工作。联想-海欧DC一350型数码相机采用35万像素CMOS图像传感器，640×480的分辨率适合在电脑屏幕上欣赏所拍摄的生活照片及制作网页等。2005年3月格科微推出1／4英寸VGA图像传感器，具有尺寸小，功耗低，图像品质好，成本比较低等特点，能够广泛用于手机、掌上电脑、电脑摄像头、玩具等消费类电子领域[8]。2005年4月，上海派视尔信息科技有限公司推出了全球首款带有自动调整聚焦(AF)的200万像素级P01200N。2006年3月，思比科微电子技术有限公司宣布其研发的200万像素CMOS摄像芯片，已经通过技术测试。该芯片基于上海中芯国际0．18微米工艺，从设计开发到芯片制造的全部工作均在国内完成，完全实现了国产化[9]。近年来，中国台湾的许多公司发展较快，并已在国际市场占有一席之地。成立于1997年的台湾宜霖科技(Elec Vision Inc.)采用其非同步随机访问CMOS成像技术(Asynchronous Random-Access MOS Image Sensor)，推出176X 144、352×288、352×290、511×492、644×484像素黑白和彩色图像有源像素CMOS图像传感器。近期还将推出1280×1024像素CMOS图像传感器。台湾联华电子公司以0.35 u m工艺生产1664×1286像素、0.25 ll m生产1728×1296像素。 1.3 CMOS图像处理器问题检测处理研究现状 目前在cmos图像传感器问题检测处理方面，还没有人做过相关研究以及规范，大家都只是凭经验来进行相关的检测与处理。 1.4 本论文研究的目的和意义 CMOS图像传感器具有结构简单、成本低、成像速度快、芯片利用率高等特点，使信息的获取和转移的成本大大降低，并能给出直观真实、多层次、内容丰富的可视图像信息。国外各大公司和研究机构投入大量的人力和物力对CMOS图像传感器进行研究和开发。如HP、Sony、Apple、Sharp、Kodak、Fujitsu等已开发出多种类型CMOS图像传感器及以CMOS图像传感器为核心的CMOS摄像系统、CMOS指纹图像识别系统、CMOS视觉图像传感系统、CMOS视网膜图像传感系统等等。CMOS图像传感技术使数字照相机造价大大降低，而数字照相机的研制和生产已被列为国家重点项目。同时，随着视觉功能的扩展，CMOS图像传感器可应用于航天航空、视频会议、指纹识别、增强型自适应巡航控制、汽车交通监督系统、玩具和医学图像识别系统等领域，具有巨大的市场。 我国传感器的产业结构存在的主要问题是企业分散、实力不强、市场开拓不力。多数企业是低水平的重复，处在生产的初级阶段。CCD图像传感器与国外相差距离很远，而CMOS图像传感器研究和产业化刚刚兴起。目前，我国在CMOS图像传感技术水平正在和国际先进水平迅速看齐并在一定程度上形成了自己的国际竞争力。今后中国将是数字照相机的消费大国，数字照相机技术的研制和生产已被列为国家重点项目。同时，CMOS图像传感技术也符合国家发展半导体工业的战略方向。 由于CMOS摄像系统功耗低、自动记时、随机存取、无损读取、抗光晕和耐辐射等优点，证明它有不可抗拒的市场诱惑力和良好的发展前景。因此，CMOS图像传感器正以其低成本、低功耗、高速随机读取、高帧频等优点向传统CCD市场发起冲击，市场占有率逐年稳步增长。然而， cmos图像传感器的检测与问题处理方面却别大家所忽视，因此做这方面的研究是很有必要的。本文将针对cmos图像传感器的检测与问题处理进行研究，给出一套规范的处理方法与常见问题的多种处理意见。 1.5 文章主要工作及章节安排 本文后面的章节是按照以下顺序进行介绍。第二章介绍CMOS图像传感器的系统结构和工作原理。第三章基于GC0306芯片给出了一套比较规范的芯片检测方法，第四章针对点不亮和花瓶问题给出了处理方法，具体结构图如下图1-1所示。 图1-1 文章结构图 2 CMOS图像传感器相关技术 2.1 像元结构和工作原理 CMOS图像传感器的光电转换原理与CCD基本相同，其光敏单元受到光照后产生光生电子。而信号的读出方法却与CCD不同，每个CMOS源像素传感单元都有自己的缓冲放大器，而且可以被单独选址和读出。 图2-1上部给出了MOS三极管和光敏二极管组成的相当于一个像元的结构剖面，在光积分期间，MOS三极管截止，光敏二极管随入射光的强弱产生对应的载流子并存储在源极的P．N结部位上[1]。当积分期结束时，扫描脉冲加在MOS三极管的栅极上，使其导通，光敏二极管复位到参考电位，并引起视频电流在负载上流过，其大小与入射光强对应。图2-1下部给出了-个具体的像元结构，由图可知，MOS三极管源极P．N结起光电变换和载流子存储作用，当栅极加有脉冲信号时，视频信号被读出。 图2-l 光敏二极管和CMOS三极管组成的光电转换及光电存储元件和开关模型 如果将上述的多个像元集成在一块，便可以构成自扫描CMOS型一维摄像传感器，如图2-2所示[1]。它由光敏二极管阵列和对光敏二极管寻址的MOS场效应管组成，MOS场效应管的栅极连接到移位寄存器的各级输出端上。在这种情况下，光敏二极管使起开关作用的场效应管的源浮置。为说明其工作过程，考察图中的光敏二极管D2，当S2接通时，反偏置的P-N结D2，电容上充电至电荷饱和。经过一个时钟周期后，S2断开，D2的一端浮置。在这种状态下，若无光照射到光敏二极管D2上，则在下一个扫描周期中，即使S2再次接通也没有充电电流流过。但若此时有光照射P-N结时，将产生电子-空穴对，在D2上有放电电流流过，D2中存储的电荷将与入射光量成反比例地减少。也就是说，到下一次S，接通为止的一个扫描周期内，失去的电荷量与入射光量成比例。为了弥补上述电荷的损失，在S2下一次接通时，将有充电电流流过，此充电电流即为视频信号。 图2-2 CMOS型一维图像传感器 (a)基本电路 (b)时序 由于MOS场效应管栅．漏电容和加扫描或加时钟的母线与视频输出线之间的有寄生电容存在，造成输出信号中有尖峰噪声。抑制这种噪声的方法是，可以采用邻位相关法，即在某一光敏二极管被读出的同时，相邻一个已被读完的光敏二极管再次被读出，由于后者只是噪声成分，将其抵消后即可除去尖峰噪声。不过对应于一个光电二极管需要两个MOS场效应管开关。由于噪声限制，这种器件不宜工作在高速扫描情况下。 2.2 CMOS图像传感器阵列结构 图2-3所示的是CMOS像敏元阵列结构，它由水平移位寄存器、垂直移位寄存器和CMOS像敏元阵列组成[1]。图2-4是CMOS摄像器件的原理框图[1]。如前所述，各MOS晶体管在水平和垂直扫描电路的脉冲驱动下起开关作用。水平移位寄存器从左至右顺次地接通起水平扫描作用的MOS晶体管，也就是寻址列的作用，垂直移位寄存器顺次地寻址列阵的各行。每个像元由光敏二极管和起垂直开关作用的MOS晶体管组成，在水平移位寄存器产生的脉冲作用下顺次接通水平开关，在垂直移位寄存器产生的脉冲作用下接通垂直开关，于是顺次给像元的光敏二极管加上参考电压(偏压)。被光照的二极管产生载流子使结电容放电，这就是积分期间信号的积累过程。而上述接通偏压的过程同时也是信号读出过程。在负载上形成的视频信号大小正比于该像元上的光照强弱。 图2-3 CMOS像敏元列阵结构 图2-4 CMOS摄像器件原理框图 1一垂直移位寄存器：2一水平移位寄存器； 3一水平扫描开关；4一垂直扫描开关；5一 像敏元阵列；6一信号线；7一像敏元 2.3 三种典型像元结构的CMOS图像传感器 目前，CMOS图像传感器可分为三种基本类型，即无源像素图像传感器(Passive Pixel Sensor，缩写为PPS)、有源像素图像传感器(Active Pixel Sensor，缩写为APS)和数字像素图像传感器(Digital Pixel Sensor，缩写为DPS)。 2.3.1 无源像素图像传感器结构 光敏二极管型无源像素结构自从1967年Weckler首次提出以来实质上一直没有变化。无源像素传感器的像元结构简单，没有信号放大作用，是由一个反向偏置的光敏二极管(MOS管或P-n结二极管)和一个行选择开关管TX构成，其结构框图如图2-5所示。 当行选择开关管开启，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，并减小噪声。当光敏二极管存储的信号电荷被读取时，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压输出。PPS结构的像素可以设计成很小的像元尺寸，它的结构简单、填充系数高(有效光敏面积和单元面积之比)。由于填充系数大及没有覆盖一层类似于在CCD中硅栅层(多晶硅叠层)，因此量子效率(积累电子与入射光子的比率)很高。 图2-5 光敏二极管无源像素结构[5] 但是这种结构存在着两方面的不足：其一，各像元中开关管的导通阈值难以完全匹配，所以即使器件所接受的入射光线完全均匀一致，其输出信号仍会形成某种相对固定的特定图形，也就是所谓的“纹斑噪声"(又称“固有模式噪声")，致使PPS的读出噪声很大，典型值为250个均方根电子。较大的固有模式噪声的存在是其致命的弱点；其二，光敏单元的驱动能量相对较弱，故而列线不宜过长以期减小其分布参数的影响。受多路传输线寄生电容及读出速率的限制，PPS难以向大型阵列发展。 2.3.2 有源像素图像传感器结构 有源像素传感器就是在每个光敏像元内引入至少一个(一般为几个)有源晶体管的成像阵列，它具有像元内信号放大和缓冲作用。在像元内设置放大元件，改善了像元结构的噪声性能。由于每个放大器在读出期间被激发，所以CMOS有源像素传感器的功耗比CCD图像传感器的还小。APS像元结构复杂，与PPS像元结构相比(无源像元的孔径效率多在60％-80％之间)，其填充系数较小，设计填充系数典型值为30％-40％，与行间转移CCD接近，因而需要一个较大的单元尺寸。随着CMOS技术的发展，CMOS工艺几何设计尺寸日益减小，填充系数将不会成为限制APS性能提高的因素。有源像素图像传感器主要包括光敏二极管型和光栅型两类。 (1)．光敏二极管型有源像素结构(PD.APS，Active Pixel Sensor) 1968年，Nobel描述了光敏二极管型有源像素传感器(Photodiode-TvpeAPS，缩写为PD.APS)[10]，后来，这种像素结构有所改进。光敏二极管型有源像素结构如图2-6，每个像元包括三个晶体管和一个光敏二极管[8]。 在此结构中，输出信号由源跟随器予以缓冲以增强像元的驱动能力，其读出功能受与它相串联的行选晶体管(RS)控制。因源跟随器不再具备双向导通能力故需另行配备独立的复位晶体管(RST)。不难理解，由于有源像元的驱动能力较强，列线分布参数的影响相对较小，因而有利于制作像元阵列较大的器件；利用独立的复位功能便于改变像元的光电积分时间，因此具有电子快门的效果；而像元本身具备的行选功能，对二维图像输出控制电路的简化颇有益处。 图2-6 光敏二极管型有源像素结构 因为光敏面没有多晶硅层叠，光敏二极管型APS量子效率较高；同时，由于通常的光敏二极管型APS难以设计片上相关双采样电路，读出噪声由复位噪声限制，典型值75．100个均方根电子。 (2)．光栅型有源像素结构(PG.APS，Active Pixel Sensor) PG-APS结合了CCD和x.Y寻址的优点，其结构如图2-7所示[13]。光生信号电荷积分在光栅(PG)下，输出前，浮置扩散节点(A)复位(电压为‰)，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就是传感器的输出信号。光栅型有源像素结构每个像元采用5个晶体管，典型的像元间距为24x最小特征尺寸。采用0.25／zm工艺将允许达到5 gm的像元间距。读出噪声比光敏二极管型有源像素结构要小一个数量级。PG-APS是以PD-APS为基础在像素里增加了噪声控制，因此也增加了复杂性和影响了填充系数。Photobit的PG—APS产品的读出噪声只有5个均方根，而一般的PD-APS读出噪声为100个均方根左右。PD-APS常用于中低性能应用，PG-APS用于高性能科学应用和低光照应用。 图2-7 光栅型有源像素结构 由于有源像元中所含的晶体管数目较多，因而造成了一些新的问题：首先，晶体管的增多会使像元中光敏单元的面积相对减小，导致像元的填充系数明显降低；另外，晶体管的增多会使前面提到过的晶体管的导通阈值不匹配问题更加严重，从而导致固有模式噪声指标的进一步恶化。为了解决有源像元填充系数低的问题，CMOS器件往往借用CCD制造工艺中现有的“微透镜"技术，就是在器件芯片的常规制作工序完成后，再利用光刻技术在每个像元的表面直接制作一个微型光学透镜，借以对入射光进行会聚，使之集中投射于像元的光敏单元，从而可将有源像元的有效填充系数提高2-3倍。微透镜技术原理如图2-8所示[6]。 图2-8 微透镜阵列原理示意图 有源像素还有其他特殊结构，如对数传输型、浮栅放大器型等。在考虑灵敏度、噪声、像素大小及线性度的情况下，每种类型都有各自的优缺点，可根据不同的应用做出不同的选择。 2.3.3 数字像素图像传感器结构 上面的无源像素传感器和有源像素传感器的像素读出均为模拟信号，近年来，美国斯坦福大学最早提出了一种新的CMOS图像传感器结构-数字像素传感器(DPS)，即它在像素单元里集成了ADC和存储单元，如图2-9所示[11]。由于这种结构的像素单元读出为数字信号，这样其他电路都为数字逻辑，因此数字像素传感器的读出速度极快，非常适合高速应用，而且它不像读出模拟信号的过程，不存在器件噪声对其产生干扰。另外由于它充分利用了数字电路优点，因此它很容易随着CMOS工艺的进步而进行等比例缩小，性能也将很快达到并超过CCD图像传感器，并且实现系统的单片集成。 图2-9 数字像素结构图 2.4 CMOS图像传感器的功能结构及工作原理 本节主要论述CMOS图像传感器采集图像的过程及CMOS图像传感器的读出电路。如图2-10所示，给出了CMOS图像传感器结构框图信号 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 图[11]，首先，景物通过成像透镜聚焦到图像传感器阵列上，而图像传感器阵列是一个二维的像素阵列，每一个像素上都包括一个光敏二极管，每个像素中的光敏二极管将其阵列表面的光强转换为电信号，然后通过行选择电路和列选择电路选取希望操作的像素，并将像素上的电信号读取出来，放大后送相关双采样CDS电路处理，相关双采样是高质量器件用来消除一些干扰的重要方法，其基本原理是由图像传感器引出两路输出，一路为实时信号，另外一路为参考信号，通过两路信号的差分去掉相同或相关的干扰信号，这种方法可以减少KTC噪声、复位噪声和固定模式噪声FPN(Fixed Pattern Noise)，同时也可以降低1／f噪声，提高了信噪比[12] 13]，此外，它还可以完成信号积分、放大、采样、保持等功能。然后信号输出到模拟／数字转换器上变换成数字信号输出。 图2-10 CMOS图像传感器结构及信号流程图 下面就CMOS图像传感器的读出电路作进一步分析。这里研究的传感器采用的是3T技术，图2-11所示的是CMOS光敏二极管传感器的读出电路[14]。 图2-11 CMOS光敏二极管传感器及基本读出电路 具体工作过程如下：首先MOS管MA和MB导通，将反偏的光敏二极管的n+端电压充到高电位，此时为了减少功耗， MOS管MC和MD关闭；然后相继关断MOS管MA和MB，开始像素的曝光，此时，在相同的曝光时间之内，当光强越大时，反偏的光敏二极管的漏电流就越大，于是反偏的光敏二极管的n+端的电压压降就越多，反之，当光强越弱时，反偏的光敏二极管的漏电流就越小，于是反偏的光敏二极管的n+端的电压压降就越少。曝光完成后，保持MOS管MA的导通状态，并关断MOS管MA，导通MOS管MC和MD，进行光敏二极管曝光后的电压读取，将signal信号也就是实时信号采集出来，然后关断MOS管MA，并导通MOS管MB,保持MOS管MC和MD的导通状态，以产生一个reset信号，也就是一个参考信号，以上过程均在一个采样时钟周期内完成，参看图2-12的时序示意图[9]。整个曝光过程是一行一行顺序曝光，但是每一行内的像素是同时曝光，曝光后通过行选择电路来选取想要读取的像素行，并将被选取的像素行上的信号读取出来，下面就一个像素的信号读取、处理过程进行说明，同一行的其它像素原理相同，首先，参考信号reset信号输出到a点，M1管在这里起源跟随器的作用，而M3管是采用二极管连接方法，M4管的作用是提供电流源，保证b点的电压随a点的电压变化，然后控制CMOS开关，将reset信号存储在采样电容c晨上，最后从输出缓冲器输出，实时信号signal信号也是通过上述过程存储到采样电容Q上并从输出缓冲器输出的，这里电容q和Cs主要作用是保证电压不会突变，输出缓冲器主要是起增加输出信号的驱动能力，稳定电平的作用。 图2-12 像素曝光时序示意图 当信号从输出缓冲器输出后，由列选择电路来选取出先前被选中的像素行中需要被读取的像素，并将该像素的signal信号和reset信号输出到可编程增益放大器进行处理，图2-13表示了信号读取电路、列多路选择器和可编程增益放大器之间的接口连接关系，可以看到列信号读取电路读取并处理的信号，输送到列多路选择器电路，而列多路选择器电路将选择出来的列上的信号传送到后面的可编程增益放大器的进行信号放大。 图2-13 列电路、多路选择器和PGA接口示意图 信号送到可编程增益放大器后，数据要经过两级差分放大，如图2-14所示，在每个像素周期的开始阶段[15]，CMOS开关中φ1置高，并导通，φ2置零关断，这时通过上下两路将reset信号的电压和signal信号的电压分别传送到上下两个电容G上，此时电容C’上存储的电荷量分别为： Q1=(Vreset—Vom)*Cl RESET (2-1) Q1=(Vsignal—Vom)*Cl SIGNAL (2-2) 其中V0是放大器的共模电平，然后当开关φ1置高导通，φ2置零关断时，置位电压Vs就等于Vreset与Vsignal之和的二分之一，并通过上下两路分别输送到两个C1电容上，这时电容C1上的电荷将会被传送到可变电容C2上，这时电容C2上的电压分别为： V2=(Vreset—Vom)*Cl/C2 RESET (2-3) V2=( Vsignal—Vom)*Cl/C2 SIGNAL (2-4) 通过调节电容C，的电容值，就能调节输出信号的放大倍数，第二级放大电路的工作原理如上，最后经过两级差分放大输出的电压值即为相应于景象光强的电压信号。从可编程增益放大器输出后，送A／D转换器变换成数字信号输出。 CMOS图像传感器的芯片上集成的自动增益控制、自动曝光控制、白平衡、伽玛校正和自动黑色电平标准的功能模块，均通过I2C总线根据具体的情况，对这几种功能进行选择。I2C总线是简单的二进制总线，一根是串行数据线,二根是串行时钟线，遵从同步串行传输 协议 离婚协议模板下载合伙人协议 下载渠道分销协议免费下载敬业协议下载授课协议下载 ，即各位串行(一位接一位)发送，由时钟线边沿指示读数据线的时刻，每个数据包有一个地址，以指示由哪个器件来接收该数据[16]。能否自动增益控制，是否自动曝光，以及伽玛校正的系数等，都可以通过CMOS图像传感器上的I2C总线进行编程控制。 图2-14 可编程增益放大器 2.5 CMOS图像传感器的时序控制 时序控制模块是CMOS图像传感器的核心控制模块，主要功能是提供像素单元图像信号采集的控制信号、各级放大器的放大和复位信号、A／D转换器的控制信号等。 为了使CMOS图像传感器获得大动态响应范围，常用方法是采用多次曝光技术，利用每次曝光的时间不同，对应不同的光强范围，组合后得到一个大的动态响应范围。但多于两次的曝光，则需要片上或者是片外存储器的支持，但是这样会明显降低图像传感器的帧频。所以，像素单元采用两次曝光的双采样存储结构，长积分时间内获得弱光条件下的图像信息数据，短积分时间内获得强光条件下的图像信息数据，将两次积分相继获得的图像信息存储在同一像素中，读出电路将图像组合后一次读出，这样既可获得大的动态范围，也保证了较高的帧频。 这种双采样结构分为两种：一种是列共用处理电路的像素单元结构，它的特点是每列共用两次曝光的存储节点，另一种是具有像素级处理电路的像素单元结构，它的特点是两次曝光的存储节点集成在一个像素单元内部。如图2-15所示时序控制模块在系统中的示意图。 图2-15 时序控制模块示意图 CMOS图像传感器各个模块需要由时序控制电路产生的控制信号如下： (1)像素单元部分 像素单元复位信号pixel_rst，长积分采样信号samplel，短积分采样信号sample2，行选择信号ROW_sel。 (2)第一级放大部分 第一级放大器偏置补偿信号fpn，用来消除由列间的运算放大器的偏置电压失配引起的固定图像噪声，第一级放大器复位信号rstl，第一级放大器采样信号acc，第一级放大器放大信号read。 (3)第二级放大部分 列选择信号col_seh列选择器的输入端，其值决定将哪一列的一级放大的结果输出给二级放大器。第二级放大器的复位信号rst2，第二级放大器的放大信号mux2。 (4)可编程增益放大器(PGA) PGA的复位信号rst3，它的放大信号read2。 (5)A／D部 输出数据有效信号data_ready：此信号有效时，表示数据输出端口中的数据可用，同时指示该数据是一行像素单元中的哪一个图像单元采集的图像信息数据。在采集一帧图像时，各个控制信号至少要满足图2-16所示的时序关系[15]。时序控制模块就是通过这样的时序控制关系，来控制CMOS图像传感器中的各个图像数据采集以及处理模块的功能开启等工作状态，以此获得所需要的图像数据。 图2-16 各种信号控制的时序关系 2.6 本章小结 在本章中，首先介绍了像元结构及一维CMOS摄像器件的工作原理。紧接着分别介绍了无源像素传感器、有源像素传感器和数字像素传感器的结构及其工作原理，在此基础上叙述了基于4T技术的CMOS图像传感器的电路实现，并说明了电路的工作原理和信号处理过程，以及CMOS图像传感器中核心控制模块一时序控制模块的原理及时序关系。在下面的章节，将介绍CMOS图像传感器的问题检测方法，这是最关键的部分，检测将直接决定处理方法的有效性。 CMOS图像传感器的测试 CMOS图像传感器的应用已越来越广泛，当一颗芯片想要进入市场时，第一步即是测试，测试的成功与否直接决定了芯片进入市场的表现。本章将基于GC0306提出规范的CMOS图像传感器测试流程[17] [18]，其他类型CMOS传感器测试流程类似。 3.1 电气测试 连接性与电源系统 查连接器、FPC等是否有短路、开路、粘连、虚焊等问题。 查所有信号之间，信号与电源、地之间是否存在短路。 查2.8V， 1.8V电压是否合适，是否电源上有纹波，所加的电容对不对。 或者根据需要3.0V+1.8V。 查Vref电容。 Powerdown，reset，mclk，上电 查powerdown信号极性， reset极性。 查芯片是否收到mclk信号，量mclk摆幅。摆幅最好要大于1V。查占空比，应该大约50%。不足50%也能工作，比如MTK上可能分频出高低比例1:2的mclk也是可以工作的。 上电，给芯片供电，上电前可以reset。 测一下V28和V18的电流，根据测试大约20mA和7mA左右。 I2C读写 查程序里的定义的I2C_device_ID值，GC0306默认是0x20，虽然可以在线改变，但reset后仍然是0x20。 0x46 ISP_devid在reset之后可以写一次， 写完之后不能再写如了，就得用新的devid和它通信. 查上拉电阻大小和SCL，SDA信号的斜率和电平高低。斜率不要过缓， 拉低的电平不要太高。 示波器检查能否正常写，过程中是否有ACK，应该有三次ACK。 示波器检查或者软件检查能否正常读，看有没有ACK。 GC0306的CHIPID是0x00 = 0x97。 当心read过程中，在restart之前不要有暗含的stop，并且除了正常的stop之外不能有暗含的stop！ 读写其他寄存器, 有的寄存器带了buf，有的不带, 不带buf的写入就生效， 例如0x59可以随时写，读取其值观察看是不是刚才写进去的值。不能用RO的做写入测试。 Analog电路相关部分调试，可以用bypass的平台来调试这部分，参照0x43。 0x0d pulse_width， 有的时候需要调整 0x0f，[7]pad_8mA，有时候需要打开 [6]soc_clock_delay，建议一直开着 [5]up-down，[4]mirror在出图后再调 [3:0]使用内部测试给出的数据，不需要调整 0x11，col_bias，在高速mclk的时候需要加快 0x12，ad_bias， AD的速度和range。 [1:0] ad_bias_current不是越大越好，AD工作在2.8和1.8两个电压上，发现24Mhz mclk，1.8V，2.8V下，太大反而会不好，有数据不稳定（其他都调好的情况下，图像是稳定的），看起来是AD不稳定，猜想可能是IR drop带来的问题。 在高速42Mhz mclk的时候，需要加快AD的速度，但要保证电源足够，不要太低，1.8的电源时要提高一些才能让AD稳定。 [4:2] AD_range， 值越小，图越亮，一般取AD在最好的线性range，与电源有关。 0x14，da_rsg 0x15，da_vref，charge_pump提高的电压，根据工艺不同，需要不同的点 42M下，不要太高，并且适当提高0x11 col_bias，让column电路做sample在一个clock之内要settle完毕。 0x16 da_vsin，参考点电压，大小会对亮度有影响，还可能出条纹。 0x18，pga_r PGA的偏置电流，控制PGA速度的。高速下可能需要调快。 0x1e，hrst，现在不用调整hrst mode了。 其他根据Daemon/Melinda的测试结果给出即可，一般不用再调整了。 3.2 图像的粗略测试 请尽量熟悉芯片的architecture和data flow： Analog设置的部分用上述的配置，注意电源噪声的影响。 用示波器检查信号mclk，sync，data，pclk，检查极性，边沿，时序，干扰等。如果系统上的信号干扰严重，先查一下。Hsync可以被推后半个mclk，data也可以推后半个mclk。 0x0f[7] pad_8mA，加大输出驱动，如果信号的斜率过慢，打开它。如果采图像不稳定，打开它。 Output format对齐外部数据要求，可以有四种YUV format， 查0x44寄存器设置。 图像尺寸，方向和Pixel type 对齐。 Pixel type有四种，查0x45[1:0]。 注意假如当把output format的UV互换，pixel type的RB互换，也能看到“正确颜色”的图像，可以在打开AWB的时候，拿一副纯红色的东西挡住全屏，应该能看到0xc9 AWB_blue_gain会涨上来，如果是纯蓝色东西挡住全屏，应该能看到0xc7 AWB_R_gain涨上来。这样可以确定0x45[1:0]和0x44是否设置对了。 关掉大多数功能，出基本图像， 0x40 = 0x10，只留下插值， 0x41 = 0x00，都先关掉，设置差不多的0x03&0x04 exp，0x61~0x67, 0x68这几个，让图像亮度适中即可，设置Mrror，upside down，图像尺寸等，HB，VB等， 达到图像稳定。 调整offset，它是在OFFSET LC那一级。关掉大多数功能，只留下插值调整好analog相关的之后， 0x40 = 0x10（只留下插值） 0x41 = 0x00（都关掉功能） 0x42 = 0x00（都关掉） 0x19, 0x1a = 0x00, PGA放到1.0倍，0x12[4:2] AD_range一般就不要随便动了。 0x61，0x63，0x65，0x67， 0x68 = 0x20 (必须1.0倍) 0xa0 = 0x40，global saturation放回1.0 0xa1 = 0x40，contrast放回1.0 0xa2 = 0x20，saturation Cb放回1.0 0xa3 = 0x20，saturation Cr放回1.0 0xb0， 0xba， 0xbb， 0xbc = 0x00 ，black stretch全放到0 0x59，0x5a，0x5b，0x5c=0x00， 四种pixel的offset，先写0 exp放大放小，拍几幅图，看看最小值在哪里， 或者exp=0看平均值在哪里。 或者是完全罩住的黑盒子，exp放大放小，看平均值多大，应该能得到一个黑盒子的亮度随着exp变大而变大的关系，截距就是AD_offset。类似如下一个关系： 图3-1 exp与亮度关系图 这个版本没有