CMOS图像传感器的基本原理及设计考虑(2)

CMOS图像传感器的基本原理及设计

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0.97cm的尺寸是1.27cm而不是0.85cm。假如你选择了一个光学尺寸为0.85cm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0.97cm的尺寸称为0.85cm,理由很简单：0.85cm光学尺寸的图像传感器的价格要比1.27cm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