CMOS传感器原理和三大性能影响
21ic 2024-06-21

CMOS传感技术是目前主要技术之一,基于CMOS传感技术,早已研制出CMOS传感器。为了增进大家对CMOS的认识,本文将对CMOS传感器的工作原理以及CMOS传感器的影响因素予以介绍。如果你对CMOS具有兴趣,不妨继续往下阅读哦。


一、CMOS传感器工作原理

CMOS技术最初是应用于图像转换技术中,但是随着这项技术的不断完善,他现在已经不仅仅适用于传统的工业图像处理了。CMOS技术凭借着它十分优越的性能被各种行业所接纳,CMOS技术被广泛运用于汽车行业中,使用CMOS图像转换技术可以使汽车在驾驶的过程中有着很高的安全性和舒适性。


根据一些市场调研公司的报告,在以后的一段时间里,CMOS图像处理的欧洲市场年成长率将会超过百分之六。在这百分之六中,相机行业占据了很大的规模,而且还有着不断增大的趋势。如果单独就图像传感器的市场来看,CMOS技术的年成长率甚至可以达到百分之三十或者更多。所以说手机相机和数码单反相机的普及,也是CMOS技术能够得到推广的主要原因。人们为什么会如此看好CMOS技术呢,这主要是因为CMOS技术出色的功效,与其他的图向处理技术相比,它有着更高的灵敏度、更强的图向捕获能力、以及更高的分辨率。除了这些客观上的优点之外,该项技术还添加了一些新颖的应用。

CMOS传感器的工作原理是这样的,它和普通的传感器不同,它会把每个像素中的电荷数据原封不动的传输到下一个像素中,不会遗漏任何任何信息。一般情况下,信息还有传感器最底端输出的,在经过传感器的边缘时,通过放大处理之后输出。

使用CMOS传感技术时,每一个像素的旁边都会有一个放大器,可以把内存电路中所存储的数据释放出来。正是因为经过了这一系列处理,所以CMOS传感器所处理的图像才可以更加的清晰,受到广大使用者的喜爱。


二、CMOS传感器影响因素


1.噪声

这是影响CMOS传感器性能的首要问题。这种噪声包括固定图形噪声FPN(Fixedpatternnoise)、暗电流噪声、热噪声等。固定图形噪声产生的原因是一束同样的光照射到两个不同的象素上产生的输出信号不完全相同。噪声正是这样被引入的。对付固定图形噪声可以应用双采样或相关双采样技术。具体地说来有点像在设计模拟放大器时引入差分对来抑制共模噪声。双采样是先读出光照产生的电荷积分信号,暂存然后对象素单元进行复位,再读取此象素单元地输出信号。两者相减得出图像信号。两种采样均能有效抑制固定图形噪声。另外,相关双采样需要临时存储单元,随着象素地增加,存储单元也要增加。


2.暗电流

物理器件不可能是理想的,如同亚阈值效应一样,由于杂质、受热等其他原因的影响,即使没有光照射到象素,象素单元也会产生电荷,这些电荷产生了暗电流。暗电流与光照产生的电荷很难进行区分。暗电流在像素阵列各处也不完全相同,它会导致固定图形噪声。对于含有积分功能的像素单元来说,暗电流所造成的固定图形噪声与积分时间成正比。暗电流的产生也是一个随机过程,它是散弹噪声的一个来源。因此,热噪声元件所产生的暗电流大小等于像素单元中的暗电流电子数的平方根。当长时间的积分单元被采用时,这种类型的噪声就变成了影响图像信号质量的主要因素,对于昏暗物体,长时间的积分是必要的,并且像素单元电容容量是有限的,于是暗电流电子的积累限制了积分的最长时间。

为减少暗电流对图像信号的影响,首先可以采取降温手段。但是,仅对芯片降温是远远不够的,由暗电流产生的固定图形噪声不能完全通过双采样克服。现在采用的有效的方法是从已获得的图像信号中减去参考暗电流信号。


3.象素的饱和与溢出模糊

类似于放大器由于线性区的范围有限而存在一个输入上限,对于CMOS图像传感芯片来说,它也有一个输入的上限。输入光信号若超过此上限,像素单元将饱和而不能进行光电转换。对于含有积分功能的像素单元来说,此上限由光电子积分单元的容量大小决定:对于不含积分功能的像素单元,该上限由流过光电二极管或三极管的最大电流决定。在输入光信号饱和时,溢出模糊就发生了。溢出模糊是由于像素单元的光电子饱和进而流出到邻近的像素单元上。溢出模糊反映到图像上就是一片特别亮的区域。这有些类似于照片上的曝光过度。溢出模糊可通过在像素单元内加入自动泄放管来克服,泄放管可以有效地将过剩电荷排出。但是,这只是限制了溢出,却不能使象素能真实还原出图像了。 

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