CMOS圖像傳感器的基本結(jié)構(gòu)

1、CMOS圖像傳感器的基本結(jié)構(gòu)2.11CMOS圖像傳感器的框圖一個典型的CMOS圖像傳感器結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。這個結(jié)構(gòu)包括由有源像素傳感器（APS）構(gòu)成的像素陣列、垂直掃描電路、每一列像素共享的列讀出通道和列選擇開關(guān)、模擬圖像信號放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和圖像數(shù)據(jù)輸出等?？刂破骺刂聘鱾€圖像信息獲取部件，進行所需要的曝光-讀出同步操作?？刂茢?shù)據(jù)由垂宜扣描入射光子1帥外部通過串行數(shù)據(jù)輸入端口輸入，并存儲在控制數(shù)據(jù)存儲器中。列于I-關(guān)ColumnSwitch像素陣列PixelArray圖憔數(shù)據(jù)輸出ImayeDnlsOutput有源愎素傳感器AclivePmelSenserAPS列進出通道ColunmRead

2、ouiVerticalScan圖像悟號模數(shù)轉(zhuǎn)撫Imagi?SignalADC控制數(shù)據(jù)存儲CcnfrolDataMeinci電行數(shù)牆輸入SerialEhitaInf)nt肢大器Amplifier控制器tkinlroller圖2.1CMOS圖像傳感器結(jié)構(gòu)框圖CMOS圖像傳感器的像素為有源像素傳感器APS，每個像素中有一個光電二極管作為基本的光電轉(zhuǎn)換元件，如圖2.1左上角的方框所示。在每個像素中還包括由若干個MOS晶體管有源器件組成的電路，把光子在光電二極管PN結(jié)上激發(fā)的載流子電荷信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，并由模擬開關(guān)控制光電二極管的曝光操作和信號輸出。在大多數(shù)陣列設(shè)計中，像素幾何形狀采取正方形，像素在陣

3、列中正交排列。像素陣列示意在圖2.1框圖的中央，水平排列的像素構(gòu)成行(Row)，每行由M個像素組成，垂直方向的像素構(gòu)成列(Column)，整個陣列由M列和N行像素構(gòu)成，陣列的總像素數(shù)為MxN。像素陣列的主要操作就是曝光和讀出，因為陣列中一般的曝光和讀出是按行進行的，所以垂直掃描實際上就是實現(xiàn)按行操作陣列的曝光和讀出。水平掃描操作實際上是當某一行執(zhí)行讀出時，順序掃描讀出這一行中的每個像素的信號，水平掃描是由列模擬開關(guān)依次開啟來執(zhí)行的。垂直和水平掃描系統(tǒng)就是用于按行和列順序，控制和操作整個陣列的曝光和讀出。陣列中每一列的像素共享一個列讀出通道，在有M列像素的陣列中有M個完全相同的通道電路，對信號進

4、行放大和模擬處理，以獲取和改善一列像素的圖像信號。經(jīng)過列選擇的圖像信號通過可變增益的寬帶模擬放大器，然后輸入到高速模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換電路。模擬圖像信號在模數(shù)轉(zhuǎn)換電路上變換成數(shù)字圖像數(shù)據(jù)，以串行或并行格式輸出到集成電路芯片的引腳上。整個像素陣列的曝光和讀出過程，由一個控制器按事先設(shè)計的時序和輸入的指令同步操作，操作時序由像素陣列的曝光和讀出的方式和速率所決定。為了減少芯片引腳的數(shù)量，操作指令和數(shù)據(jù)通常以串行方式如IC格式輸入，并存儲在控制數(shù)據(jù)存儲器中，作為每次曝光讀出操作的依據(jù)。操作指令通過譯碼產(chǎn)生操作的控制信號，控制掃描電路和各個模擬開關(guān)的同步操作。2.1.2CMOS圖像傳感器芯片的封裝CMOS圖像

5、傳感器一般采用標準的集成電路芯片封裝，只是在外殼的傳感器陣列上方，制作一個光學玻璃窗口，使被攝物體的光學圖像經(jīng)過透鏡聚焦，成像在芯片的像素陣列平面上。在這里，透鏡系統(tǒng)的光學中軸線，必須對準傳感器陣列平面的幾何中心，并與成像平面精密垂直。圖2.2的左邊示意封裝的剖面,封裝外殼和玻璃窗口共同實現(xiàn)芯片的密封，芯片的焊盤由引線焊接到封裝引腳實現(xiàn)電連接。圖2.2右邊是CMOS圖像傳感器集成電路芯片的俯視圖，硅片安裝在封裝外殼中，硅片上較亮的矩形面積是像素陣列，深色區(qū)域是由遮光材料覆蓋的模擬和數(shù)字電路部分，周邊是引腳焊盤。在數(shù)碼照相機或電視視頻攝像機中，CMOS圖像傳感器芯片被安裝在透鏡光學系統(tǒng)的后面，從窗口輸入光學圖像，從芯片引腳上輸出圖像數(shù)據(jù)信