传感器

电路来选取想要读取的像素行，并将信号读取出来，最后从输出缓冲器（图2-3）输出。

2-3 输出缓冲器图

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(图2-4)，数据经过两级差分放大，输出的电压值即为相应于景象光强的电压信号，从而送A/D转换器变换成数字信号。其中输出其中输出的电压信号的值分别为:

V2=(Vreset-Vom)*C1/C2 reset V2=(Vsignal-Vom)*C1/C2 signal

图2-4可编程增益放大器（PGA）

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，均可通过I2C总线根据具体的情况，对这几种功能进行编程控制。

四、CMOS图像传感器的特点

作为一种固体成像器件,与CCD器件相比较,CMOS器件有以下的优点:

1、标准生产工艺使低成本和在片集成成为可能。超大规模集成电路将传感器阵列,驱动和控制电路,信号处理电路,模、数转换器,全数字接口电路等完全集成在一起,实现单芯片成像系统,避免了使用其它的外部支持芯片和设备,进一步降低成本。

2、低功耗,单电压,提高电源使用效率。一般来说,CCD系统需要2～5W(数字输出)的电能,而具有相同像元输出的CMOS系统仅需要20～50mW。

3、可对兴趣区域像元进行随机读取,增加了工作灵活性。CMOS器件的积分电荷可以在像元内被转换为电压信号,然后通过X-Y输出线输出。这种与普通DRAM相似的行列编址使兴趣窗口输出(即窗口操作)成为可能,可以进行在片平移、旋转和缩放。窗口操作为需要图像压缩、运动检测和目标跟踪的应用方式提供了许多附加的灵活性。

4、没有拖影、光晕等假信号,保证更高品质图像。在APS-CMOS结构中,信号电荷在像元内即转换为电压信号并像DRAM那样通过列总线输出,使其没有光晕现象。而CCD在光照下因电荷转移引起的拖影现象也得到避免。

5、较高的帧率,源于像元内放大和在片ADC(Analog-Digital Conversion)。CMOS电路固有的高速性,使得APS-CMOS传感器可以极快地驱动成像阵列的列总线,并通过在片ADC,获得极快的帧率。

6、在片集成电路可以提供智能的相机功能。APS-CMOS允许将信号处理功能集成在芯片上,可实现许多数字信号处理功能,包括抗跳动(图像稳定),图像压缩,色彩编码,计算机数据总线接口,多分辨率成像等,为实现较复杂的微小卫星星上图像处理功能提供了基础。

7、具有良好的抗辐射能力。在空间应用的辐射加固APS-CMOS的像元结构中,加入差分电路使像元的复位电平和信号电压共用一个信号通道,这样电子扰动和供电影响对两信号的影响相同,对输出信号不会产生影响,对高速芯片和单芯片系统特别有利。

五、COMS图像传感器的应用

随着电子技术从微米工艺向亚微米和深亚微米工艺方向发展，CMOS图像传感器采用超大规模集成电路工艺，集成度高，可在同一芯片上集成像素阵列和所有驱动、控制电路。一个芯片就能够包括一个视觉产品的全部电学功能，成本大幅度下降，在很多领域得到广泛的应用。

5.1在工业上面的应用

CMOS图像传感器可以用于工业检测与自动控制，这也是图像传感器用量很大的一个领域，统称为机器视觉应用。目前已在钢铁、木材、纺织、粮食、机械等工业方面作零件尺寸的动态检测，产品质量、包装、形状识别、表面缺陷检测等。其原理主要是通过前端CMOS图像传感器获取图像信息，再将这信息送到PC或DSP进行处理、分析，最后输出。这样可以大大减轻人们劳动强度，提高工作效率和产品质量。在自动控制方面，作为计算机获取被控制信息的一个重要手段，还可以作机器人的视觉传感器。

5.2在交通工程中的应用

将若干只CMOS图像传感器摄像头安装在高速公路的重要地段以及重要的道路交叉口，交通管理人员随时可以根据CMOS图像传感器摄像头传来的传真图像信息，通过自动或者人工的方法，及时了解各个方向的车辆流动情况，通过有效的方法正确疏导和控制车辆的行驶，甚至在车辆距监视点较远的情况下，也能通过加装在CMOS图像传感器上的远距变焦镜头提前预知车流密度，若再配合其他监测仪器，可以对行驶中车辆的众多动态参数进行检测。

将CMOS图像传感器放置在地面的固定位置或者安放在汽车后部的适当位置，司机在倒车或者正常行驶中的后视情况就可通过监视器一目了然，几乎消除后视盲区，最大限度地降低事故的发生。

总之，CMOS固体图像传感器在交通众多领域有着广泛的用途，在电气性能及抗震、价格、耐恶劣环境等很多方面有着明显的优点，将它作为人类的“感官”，可以代替人做长时间的劳动，甚至做人不能做到的事，尤其在当今计算机技术高速发展的今天，智能CMOS技术完全可以代替人进行脑力劳动和体力劳动，对交通管理行业的吸引力愈来愈被人们所重视。

5.3在数码影像上面的应用

随着半导体技术、数码影像技术的迅速发展，图像传感器被广泛应用于数码摄像。目前的图像传感器在图像分辨率、信噪比等方面的性能已经可以和传统的银盐感光胶片相提并论。而其为图像采集、处理和传输带来的便利，则是传统的银盐感光胶片远远无法相比的。常用的图像传感器有CCD和CMOS两种，而CMOS图像传感器又因其功耗低，体积小备受青睐，特别是手机摄像上，目前占有巨大的市场份额。CMOS式的数码相机其基本原理如图5-1所示，光通过光学系统（主要由一些光学镜头组成），照射到CMOS图像传感器上，图像传感器在DSP控制下，将得到信号传送至DSP单元进行处理，主要有数字图像处理和图像数据压缩，然后将数据存到存储器。同时为了方便地即时观看拍摄效果，还配有液晶显示（LCD）。数据与其他设备的传输，可以通过通用串行总线（USB）接口，或者RS232接口进行传输。这种结构已广泛地应用在手机摄像上。随着CMOS图像传感器的性能提高， CMOS式的数码相机也不断的增多。

5-1数码相机系统框图

CMOS图像传感器还可以结合USB作为PC－Camera视频输入应用，目前市场上已有大量的此类产品。此外还有微型摄像机、汽车尾视、可视电话、视频会议、指纹识别等等都离不开CMOS图像传感器。

5.4在医学上面的应用

电子内窥镜是继第一代硬式胃镜和第二代光导纤维内镜之后的第三代内窥镜，目前已有基于CMOS图像传感器式的无线摄像内窥镜。其结构如图5-2所示，无线摄像药丸直径为

11mm，长为30mm，药丸内包括CMOS图像传感器、光学系统、电池、发射电路及天线等。人体胃肠道的图像通过光学系统成像于CMOS图像传感器，由CMOS图像传感器将光信号转换为电信号，经发射电路调制、放大，通过无线收发的方式传送到人体外的接收设备上显示保存。整个药丸在人体内滞留大约6～8个小时的时间。由于肠胃道内光强非常小，药丸内装有四个贴片式白色发光二极管作为光源，由于是采用吞食药丸的方式，大大减小了病人检查时的痛苦。

5-2 基于CMOS图像传感器式的无线摄像内窥镜

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